Solid-state laser: werkingsprincipe, toepassing

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Dit artikel laat zien wat de bronnen van monochromatische straling zijn en welke voordelen een vastestoflaser heeft ten opzichte van andere typen. Het vertelt hoe het genereren van coherente straling plaatsvindt, waarom het gepulseerde apparaat krachtiger is, waarom gravure nodig is. Het bespreekt ook de drie essentiële elementen van een laser en hoe het werkt.

Zone theorie

Alvorens te praten over hoe een laser (bijvoorbeeld vaste stof) werkt, moeten enkele fysieke modellen worden overwogen. Iedereen herinnert zich van schoollessen dat elektronen zich in bepaalde banen of energieniveaus rond de atoomkern bevinden. Als we niet één atoom tot onze beschikking hebben, maar veel, dat wil zeggen, we beschouwen elk volumetrisch lichaam, dan doet zich één probleem voor.

Volgens het Pauli-principe kan er in een gegeven lichaam met dezelfde energie maar één elektron zijn. Bovendien bevat zelfs de kleinste zandkorrel een enorm aantal atomen. In dit geval heeft de natuur een zeer elegante uitweg gevonden - de energie van elkelektron verschilt van de energie van de naburige door een zeer kleine, bijna niet te onderscheiden hoeveelheid. In dit geval worden alle elektronen van hetzelfde niveau "gecomprimeerd" tot één energieband. De zone waarin de elektronen zich het verst van de kern bevinden, wordt de valentiezone genoemd. De zone erna heeft een hogere energie. Daarin bewegen elektronen vrij, en het wordt de geleidingsband genoemd.

Emissie en absorptie

Elke laser (vaste stof, gas, chemisch) werkt volgens de principes van elektronenovergang van de ene zone naar de andere. Als er licht op het lichaam v alt, geeft het foton het elektron voldoende kracht om het in een hogere energietoestand te brengen. En omgekeerd: wanneer een elektron van de geleidingsband naar de valentieband gaat, zendt het één foton uit. Als de stof een halfgeleider of diëlektricum is, worden de valentie- en geleidingsbanden gescheiden door een interval waarin er geen enkel niveau is. Dienovereenkomstig kunnen elektronen daar niet zijn. Dit interval wordt de bandgap genoemd. Als het foton voldoende energie heeft, dan springen de elektronen over dit interval.

Generatie

Het werkingsprincipe van een vastestoflaser is gebaseerd op het feit dat er een zogenaamd invers niveau wordt gecreëerd in de bandgap van een stof. De levensduur van een elektron op dit niveau is langer dan de tijd die het doorbrengt in de geleidingsband. Dus, in een bepaalde periode, is het erop dat elektronen "ophopen". Dit wordt inverse populatie genoemd. Wanneer voorbij zo'n niveau gestippeldelektronen, een foton van de gewenste golflengte passeert, veroorzaakt het gelijktijdige opwekking van een groot aantal lichtgolven van dezelfde lengte en fase. Dat wil zeggen, de elektronen in een lawine gaan allemaal tegelijkertijd naar de grondtoestand en genereren een bundel monochromatische fotonen met een voldoende hoog vermogen. Opgemerkt moet worden dat het belangrijkste probleem van de ontwikkelaars van de eerste laser het zoeken naar een dergelijke combinatie van stoffen was waarvoor een omgekeerde populatie van een van de niveaus mogelijk zou zijn. De gelegeerde robijn werd de eerste werkende substantie.

Lasercompositie

De vastestoflaser verschilt niet van andere typen wat betreft de belangrijkste componenten. Het werklichaam, waarin de omgekeerde populatie van een van de niveaus wordt uitgevoerd, wordt verlicht door een lichtbron. Dat heet pompen. Vaak kan dit een gewone gloeilamp zijn of een gasontladingsbuis. Twee parallelle uiteinden van de werkvloeistof (een vastestoflaser betekent een kristal, een gaslaser betekent een ijl medium) vormen een systeem van spiegels of een optische resonator. Het verzamelt in een straal alleen die fotonen die evenwijdig aan de uitlaat gaan. Solid-state lasers worden meestal gepompt met flitslampen.

Soorten vastestoflasers

Afhankelijk van de manier waarop de laserstraal naar buiten komt, worden continue en pulserende lasers onderscheiden. Elk van hen vindt toepassing en heeft zijn eigen kenmerken. Het belangrijkste verschil is dat gepulseerde vastestoflasers een hoger vermogen hebben. Want voor elk schotfotonen lijken te "ophopen", dan is één puls in staat om meer energie te leveren dan continue opwekking over een vergelijkbare periode. Hoe korter de impuls duurt, hoe krachtiger elk "schot". Op dit moment is het technologisch mogelijk om een femtoseconde laser te bouwen. Een van zijn impulsen duurt ongeveer 10-15 seconden. Deze afhankelijkheid hangt samen met het feit dat de hierboven beschreven processen van terugbevolking heel, heel weinig duren. Hoe langer het duurt om te wachten voordat de laser "schiet", hoe meer elektronen de tijd hebben om het inverse niveau te verlaten. Dienovereenkomstig worden de concentratie van fotonen en de energie van de uitgangsbundel verminderd.

Lasergravure

Patronen op het oppervlak van metalen en glazen dingen sieren het dagelijks leven van een persoon. Ze kunnen mechanisch, chemisch of met een laser worden aangebracht. De laatste methode is de modernste. De voordelen ten opzichte van andere methoden zijn als volgt. Omdat er geen directe impact is op het te behandelen oppervlak, is het bijna onmogelijk om iets te beschadigen tijdens het aanbrengen van een patroon of inscriptie. De laserstraal brandt zeer ondiepe groeven uit: het oppervlak met zo'n gravure blijft glad, waardoor het ding niet beschadigd en langer meegaat. In het geval van metaal verandert de laserstraal de structuur van de substantie zelf en de inscriptie zal gedurende vele jaren niet worden gewist. Als een ding zorgvuldig wordt gebruikt, niet wordt ondergedompeld in zuur en niet wordt vervormd, zal het patroon erop zeker gedurende meerdere generaties behouden blijven. Het is om twee redenen het beste om een solid-state gepulseerde laser te kiezen voor graveren: solid-state processengemakkelijker te rijden, en het is optimaal in termen van vermogen en prijs.

Installatie

Er zijn speciale instellingen voor graveren. Naast de laser zelf bestaan ze uit mechanische geleiders waarlangs de laser beweegt en besturingsapparatuur (computer). De lasermachine wordt gebruikt in vele takken van menselijke activiteit. Hierboven hadden we het over het decoreren van huishoudelijke artikelen. Persoonlijk bestek, aanstekers, glazen, horloges blijven lang in de familie en herinneren je aan gelukkige momenten.

Niet alleen huishoudelijke, maar ook industriële goederen hebben lasergravure nodig. Grote fabrieken, zoals auto's, produceren onderdelen in enorme hoeveelheden: honderdduizenden of miljoenen. Elk dergelijk element moet worden gemarkeerd - wanneer en wie het heeft gemaakt. Er is geen betere manier dan lasergraveren: cijfers, productietijd, levensduur blijven lang behouden, zelfs op bewegende delen, waarvoor een verhoogd risico op slijtage bestaat. De lasermachine moet in dit geval worden onderscheiden door meer vermogen en veiligheid. Immers, als graveren de eigenschap van een metalen onderdeel zelfs maar met een fractie van een procent verandert, kan het anders reageren op invloeden van buitenaf. Breek bijvoorbeeld op de plaats waar het opschrift is aangebracht. Voor huishoudelijk gebruik is echter een eenvoudigere en goedkopere installatie geschikt.