Cietvielu lāzers: darbības princips, pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Šis raksts parāda, kādi ir monohromatiskā starojuma avoti un kādas priekšrocības ir cietvielu lāzeram salīdzinājumā ar citiem veidiem. Tas stāsta, kā notiek koherenta starojuma ģenerēšana, kāpēc impulsa iekārta ir jaudīgāka, kāpēc nepieciešama gravēšana. Tajā arī apskatīti trīs būtiski lāzera elementi un tā darbība.

Zonas teorija

Pirms runāt par lāzera (piemēram, cietvielu) darbību, jāapsver daži fiziski modeļi. Ikviens no skolas stundām atceras, ka elektroni atrodas ap atoma kodolu noteiktās orbītās jeb enerģijas līmeņos. Ja mūsu rīcībā ir nevis viens atoms, bet daudzi, tas ir, mēs uzskatām jebkuru tilpuma ķermeni, tad rodas viena grūtība.

Saskaņā ar Pauli principu dotajā ķermenī ar vienādu enerģiju var būt tikai viens elektrons. Turklāt pat mazākajā smilšu graudiņā ir milzīgs skaits atomu. Šajā gadījumā daba ir atradusi ļoti elegantu izeju – katra enerģijuelektrons atšķiras no blakus esošā enerģijas ar ļoti mazu, gandrīz neatšķiramu daudzumu. Šajā gadījumā visi viena līmeņa elektroni tiek "saspiesti" vienā enerģijas joslā. Zonu, kurā atrodas elektroni, kas atrodas vistālāk no kodola, sauc par valences zonu. Tai sekojošajai zonai ir augstāka enerģija. Tajā elektroni pārvietojas brīvi, un to sauc par vadīšanas joslu.

Emisija un absorbcija

Jebkurš lāzers (cietvielu, gāzes, ķīmiskais) darbojas pēc elektronu pārejas principiem no vienas zonas uz otru. Ja uz ķermeņa krīt gaisma, tad fotons dod elektronam pietiekami daudz spēka, lai tas nonāktu augstākā enerģijas stāvoklī. Un otrādi: kad elektrons pāriet no vadīšanas joslas uz valences joslu, tas izstaro vienu fotonu. Ja viela ir pusvadītājs vai dielektrisks, valences un vadītspējas joslas ir atdalītas ar intervālu, kurā nav viena līmeņa. Attiecīgi elektroni tur nevar atrasties. Šo intervālu sauc par joslas spraugu. Ja fotonam ir pietiekami daudz enerģijas, tad elektroni lec pāri šim intervālam.

Paaudze

Cietvielu lāzera darbības princips ir balstīts uz to, ka vielas joslas spraugā tiek izveidots tā sauktais apgrieztais līmenis. Elektrona kalpošanas laiks šajā līmenī ir garāks par laiku, ko tas pavada vadītspējas joslā. Tādējādi noteiktā laika posmā elektroni “uzkrājas” uz tā. To sauc par apgriezto populāciju. Kad pagājis tāds līmenis punktētselektroniem, iet garām vēlamā viļņa garuma fotons, tas izraisa vienlaicīga liela skaita vienāda garuma un fāzes gaismas viļņu ģenerēšanu. Tas nozīmē, ka lavīnā esošie elektroni vienlaikus nonāk pamatstāvoklī, radot pietiekami lielas jaudas monohromatisku fotonu staru kūli. Jāpiebilst, ka pirmā lāzera izstrādātāju galvenā problēma bija tādas vielu kombinācijas meklēšana, kurai būtu iespējama viena līmeņa apgrieztā populācija. Leģētais rubīns kļuva par pirmo darba vielu.

Lāzera kompozīcija

Cietvielu lāzers savu galveno sastāvdaļu ziņā neatšķiras no citiem veidiem. Darba ķermeni, kurā tiek veikta viena līmeņa apgrieztā populācija, apgaismo kāds gaismas avots. To sauc par sūknēšanu. Bieži vien tā var būt parasta kvēlspuldze vai gāzizlādes caurule. Divi paralēli darba šķidruma gali (cietvielu lāzers nozīmē kristālu, gāzes lāzers ir reta vide) veido spoguļu sistēmu jeb optisko rezonatoru. Tas savāc starā tikai tos fotonus, kas iet paralēli izejai. Cietvielu lāzeri parasti tiek sūknēti ar zibspuldzēm.

Cietvielu lāzeru veidi

Atkarībā no lāzera stara izejas veida tiek izšķirti nepārtrauktie un impulsa lāzeri. Katrs no tiem atrod pielietojumu un tam ir savas īpašības. Galvenā atšķirība ir tā, ka impulsu cietvielu lāzeriem ir lielāka jauda. Jo par katru šāvienušķiet, ka fotoni “uzkrājas”, tad viens impulss spēj piegādāt vairāk enerģijas nekā nepārtraukta ģenerēšana līdzīgā laika periodā. Jo īsāks impulss ilgst, jo spēcīgāks ir katrs "šāviens". Šobrīd tehnoloģiski ir iespējams uzbūvēt femtosekundes lāzeru. Viens no tā impulsiem ilgst aptuveni 10-15 sekundes. Šī atkarība ir saistīta ar to, ka iepriekš aprakstītie pretpopulācijas procesi ilgst ļoti, ļoti maz. Jo ilgāk jāgaida, pirms lāzers "šauj", jo vairāk elektroniem ir laiks atstāt apgriezto līmeni. Attiecīgi tiek samazināta fotonu koncentrācija un izejas stara enerģija.

Lāzergravēšana

Raksti uz metāla un stikla lietu virsmas rotā cilvēka ikdienu. Tos var uzklāt mehāniski, ķīmiski vai ar lāzeru. Pēdējā metode ir vismodernākā. Tās priekšrocības salīdzinājumā ar citām metodēm ir šādas. Tā kā nav tiešas ietekmes uz apstrādājamo virsmu, ir gandrīz neiespējami sabojāt lietu raksta vai uzraksta uzlikšanas procesā. Lāzera stars izdedzina ļoti seklas rievas: virsma ar šādu gravējumu paliek gluda, kas nozīmē, ka lieta netiek bojāta un kalpos ilgāk. Metāla gadījumā lāzera stars maina pašu vielas struktūru, un uzraksts netiks izdzēsts daudzus gadus. Ja lieta tiek lietota rūpīgi, nav iegremdēta skābē un nav deformēta, tad vairākas paaudzes raksts uz tās noteikti tiks saglabāts. Gravēšanai vislabāk ir izvēlēties cietvielu impulsu lāzeru divu iemeslu dēļ: cietvielu procesivieglāk vadāms, un tas ir optimāls jaudas un cenas ziņā.

Instalēšana

Ir īpaši gravēšanas iestatījumi. Papildus pašam lāzeram tie sastāv no mehāniskām vadotnēm, pa kurām pārvietojas lāzers, un vadības iekārtas (datora). Lāzera iekārtu izmanto daudzās cilvēka darbības nozarēs. Iepriekš mēs runājām par sadzīves priekšmetu dekorēšanu. Personīgie galda piederumi, šķiltavas, glāzes, pulksteņi ilgi paliks ģimenē un atgādinās par priecīgiem brīžiem.

Tomēr ne tikai sadzīves, bet arī rūpniecības precēm nepieciešama lāzergravēšana. Lielas rūpnīcas, piemēram, automašīnas, ražo detaļas milzīgos daudzumos: simtiem tūkstošu vai miljonu. Katrs šāds elements ir jāatzīmē – kad un kas to radījis. Nav labāka veida par lāzergravēšanu: skaitļi, ražošanas laiks, kalpošanas laiks saglabāsies ilgu laiku pat uz kustīgām daļām, kurām ir paaugstināts nobrāzuma risks. Lāzera iekārtai šajā gadījumā vajadzētu atšķirties ar palielinātu jaudu, kā arī drošību. Galu galā, ja gravēšana maina metāla daļas īpašības pat par procentu, tā var atšķirīgi reaģēt uz ārējām ietekmēm. Piemēram, pārtraukums vietā, kur tiek uzlikts uzraksts. Tomēr lietošanai mājās ir piemērota vienkāršāka un lētāka uzstādīšana.