Лазер цвёрдацельны: прынцып працы, прымяненне

Дадзены артыкул паказвае, якія бываюць крыніцы манахраматычнага выпраменьвання і якія перавагі мае лазер цвёрдацельны перад іншымі відамі. Тут расказана, якім чынам адбываецца генерацыя кагерэнтнага выпраменьвання, чаму імпульснае прылада магутней, для чаго патрэбна гравіроўка. Таксама тут разглядаюцца тры абавязковых элемента лазера і прынцып яго працы.

зонная тэорыя

Перш чым казаць пра тое, як працуе лазер (цвёрдацельны, напрыклад), варта разгледзець некаторыя фізічныя мадэлі. Са школьных урокаў кожны памятае, што электроны размешчаны вакол атамнага ядра на пэўных арбітах, ці узроўнях энергіі. Калі ў нашым распараджэнні не адзін атам, а шмат, гэта значыць мы разглядаем любы аб'ёмнае цела, то ўзнікае адна складанасць.

Згодна з прынцыпу Паўлі, у дадзеным целе з адной і той жа энергіяй можа быць толькі адзін электрон. Пры гэтым нават драбнюткія пясчынка змяшчае велізарную колькасць атамаў. Прырода ў дадзеным выпадку знайшла вельмі зграбны выйсце - энергія кожнага электрона адрозніваецца ад энергіі суседняга на вельмі маленькую, ужо немагчыма было велічыню. Пры гэтым усе электроны аднаго ўзроўню «спрасоўваюцца» у адну энергетычную зону. Зона, у якой знаходзяцца найбольш далёкія ад ядра электроны, называецца валентнай. Наступная за ёй зона мае больш высокую энергію. У ёй электроны перасоўваюцца свабодна, і яна завецца зонай праводнасці.

Выпусканне і паглынанне

Любы лазер (цвёрдацельны, газавы, хімічны) працуе на прынцыпах пераходу электрона з адной зоны ў іншую. Калі на цела падае святло, то фатон надае электронных дастаткова сіл, каб ён апынуўся ў больш высокім энергетычным стане. І наадварот: калі электрон пераходзіць з зоны праводнасці ў валентную, то ён пускае адзін фатон. Калі рэчыва з'яўляецца паўправаднікоў або дыэлектрыкам, зоны валентная і праводнасці падзеленыя інтэрвалам, у якім няма ні аднаго ўзроўню. Адпаведна, электроны знаходзіцца там не могуць. Гэты інтэрвал называецца забароненай зонай. Калі фатон мае дастатковую энергію, то электроны пераадольваюць гэты інтэрвал скокам.

генерацыя

Прынцып працы цвёрдацельнага лазера будуецца на тым, што ў забароненай зоне рэчывы ствараецца так званы інверсны ўзровень. Час жыцця электрона на гэтым узроўні вышэй, чым час яго знаходжання ў зоне праводнасці. Такім чынам, у пэўны прамежак часу менавіта на ім «запасяцца» электроны. Гэта называецца інверснай засялення. Калі міма такога ўзроўню, ўсеянага электронамі, праходзіць фатон патрэбнай даўжыні хвалі, ён выклікае адначасовую генерацыю вялікай колькасці аднолькавых па даўжыні і фазе светлавых хваляў. Гэта значыць электроны лавінай усе адначасова пераходзяць у асноўны стан, спараджаючы пучок манахраматычнага фатонаў досыць вялікай магутнасці. Варта адзначыць, што асноўнай праблемай распрацоўшчыкаў першага лазера быў пошук такога спалучэння рэчываў, для якога была б магчымая інверснай заселенасць аднаго з узроўняў. Першым рабочым рэчывам стаў легаваны рубін.

склад лазера

Лазер цвёрдацельны па асноўных кампанентаў не адрозніваецца ад астатніх відаў. Рабочае цела, у якім ажыццяўляецца інверснай заселенасць аднаго з узроўняў, асвятляецца якім-небудзь крыніцай святла. Ён завецца накачкі. Часта гэта можа быць звычайная лямпа напальвання або газаразрадная трубка. Два паралельна ідуць тарца працоўнага цела (лазер цвёрдацельны мае на ўвазе крышталь, газавы - разрэджаную сераду) утвараюць сістэму люстэркаў, або аптычны рэзанатар. Ён збірае ў пучок толькі тыя фатоны, якія ідуць паралельна выходнаму адтуліны. Напампоўка цвёрдацельных лазераў звычайна адбываецца з дапамогай імпульсных лямпаў.

Віды цвёрдацельных лазераў

У залежнасці ад спосабу выхаду лазернага пучка адрозніваюць лазеры бесперапыннага дзеяння і імпульсныя. Кожны з іх знаходзіць прымяненне і мае свае асаблівасці. Галоўнае адрозненне - імпульсныя цвёрдацельныя лазеры валодаюць больш высокай магутнасцю. Бо для кожнага стрэлу фатоны як бы «збіраюцца», то адзін імпульс здольны выдаць вялікую энергію, чым бесперапынная генерацыя за аналагічны перыяд часу. Чым менш доўжыцца імпульс, тым больш магутны кожны «стрэл». На дадзены момант тэхналагічна магчыма пабудаваць фемтосекундный лазер. Адзін яго імпульс доўжыцца каля 10 ^-15 секунды. Звязаная такая залежнасць з тым, што апісаныя вышэй працэсы зваротнай заселенасці доўжацца вельмі і вельмі мала. Чым даўжэй патрабуецца чакаць перад тым, як лазер «стрэліць», тым больш электронаў паспее пакінуць інверсны ўзровень. Адпаведна, зніжаецца канцэнтрацыя фатонаў і энергія выхаднога пучка.

гравіроўка лазерам

Ўзоры на паверхні металічных і шкляных рэчаў ўпрыгожваюць паўсядзённае жыццё чалавека. Іх можна вырабіць механічна, хімічна або з дапамогай лазера. Апошні спосаб найболей сучасны. Яго перавагі перад іншымі метадамі наступныя. Так як непасрэднага ўздзеяння на апрацоўваную паверхню няма, то амаль немагчыма пашкодзіць рэч у працэсе нанясення ўзору або надпісы. Лазерны прамень выпальвае вельмі неглыбокія канаўкі: паверхню з такой гравіроўкай застаецца гладкай, а значыць, рэч не пашкоджваецца і праслужыць даўжэй. У выпадку з металам лазерны прамень змяняе саму структуру рэчывы, і надпіс не сатрэцца шмат гадоў. Калі рэччу карыстацца акуратна, не апускаць яе ў кіслату і ня дэфармаваць, то на некалькі пакаленняў ўзор на яе дакладна захаваецца. Лазер для гравіроўкі лепш за ўсё выбіраць цвёрдацельны імпульсны па двух прычынах: працэсамі ў цвёрдым целе прасцей кіраваць, і ён аптымальны па суадносінах магутнасці і кошты.

ўстаноўка

Для гравіроўкі існуюць спецыяльныя ўстаноўкі. Акрамя непасрэдна лазера, яны складаюцца з механічных накіроўвалых, па якіх лазер рухаецца, і кантралюючага абсталявання (кампутара). Лазерны станок ўжываецца ў многіх галінах чалавечай дзейнасці. Вышэй мы казалі аб ўпрыгожванні бытавых прадметаў. Імянныя сталовыя прыборы, запальніцы, куфлі, гадзіны надоўга застануцца ў сям'і і будуць нагадваць аб шчаслівых момантах.

Аднак не толькі бытавыя, але і прамысловыя тавары маюць патрэбу ў лазернай гравіроўцы. Вялікія заводы, напрыклад аўтамабільныя, выпускаюць дэталі вялізнымі накладамі: сотнямі тысяч ці мільёнамі. Кожны такі элемент павінен быць пазначаны - калі і хто яго стварыў. Лепшага спосабу, чым лазерная гравіроўка, не знайсці: нумары, час выпуску, тэрмін службы надоўга застануцца нават на рухаюцца дэталях, для якіх павышаны рызыка ізаляцыі. Лазерны станок у дадзеным выпадку павінен адрознівацца падвышанай магутнасцю, а таксама бяспекай. Бо калі гравіроўка хоць на долі адсоткаў зменіць ўласцівасць металічнай дэталі, яна можа інакш рэагаваць на знешняе ўздзеянне. Напрыклад, ламацца ў месцы нанясення надпісы. Аднак для побытавага ўжывання падыходзіць больш простая і танная ўстаноўка.