Лазер твердотільний принцип роботи, застосування
Зонна теорія
Перш ніж говорити, як працює лазер (твердотільний, наприклад), слід розглянути деякі фізичні моделі. Зі шкільних уроків кожен пам'ятає, що електрони розташовані навколо атомного ядра на певних орбітах, або рівнях енергії. Якщо у нашому розпорядженні не один атом, а багато, тобто ми розглядаємо будь-яке об'ємне тіло, виникає одна складність.
Згідно з принципом Паулі, в цьому тілі з тією ж енергією може бути лише один електрон. При цьому навіть найдрібніша піщинка містить величезну кількість атомів. Природа в даному випадку знайшла досить витончений вихід - енергія кожного електрона відрізняється від сусідньої енергії на дуже маленьку, майже нерозрізнену величину. При цьому всі електрони одного рівня спресовуються в одну енергетичну зону. Зона, в якій знаходяться найбільш далекі від ядра електрони, називається валентною. Наступна за нею зона має більш високу енергію. У ній електрони пересуваються вільно, і вона називається зоною провідності.
Випускання та поглинання
Будь-який лазер (твердотільний, газовий, хімічний) працює на принципах переходу електрона з однієї зони до іншої. Якщо на тіло падає світло, то фотон надає електрону достатньо сил, щоб він опинився у вищому енергетичному стані. І навпаки: коли електрон переходить із зони провідності у валентну, він випускає один фотон. Якщо речовина є напівпровідником або діелектриком, валентна зони і провідності розділені інтервалом, в якому немає жодного рівня. Відповідно електрони перебувати там не можуть. Цей інтервал називається забороненою зоною. Якщо фотон має достатню енергію, то електрони долають цей інтервал.стрибком.
Принцип роботи твердотільного лазера будується у тому, що у забороненої зоні речовини створюється так званий інверсний рівень. Час життя електрона цьому рівні вище, ніж час його перебування у зоні провідності. Таким чином, у певний проміжок часу саме на ньому накопичуються електрони. Це називається інверсною заселеністю. Коли повз такий рівень, усеяний електронами, проходить фотон потрібної довжини хвилі, він викликає одночасну генерацію великої кількості однакових по довжині і фазі світлових хвиль. Тобто електрони лавиною всі одночасно переходять в основний стан, породжуючи пучок монохроматичних фотонів досить великої потужності. Варто відзначити, що основною проблемою розробників першого лазера був пошук такого поєднання речовин, для якого було б можливе інверсне заселення одного з рівнів. Першим робочим речовиною став легований рубін.
Склад лазера
Лазер твердотільний за основними компонентами не відрізняється від інших видів. Робоче тіло, в якому здійснюється інверсна заселеність одного з рівнів, висвітлюється джерелом світла. Він називається накачуванням. Часто це може бути звичайна лампа розжарювання чи газорозрядна трубка. Два паралельно торця робочого тіла (лазер твердотільний має на увазі кристал, газовий - розріджене середовище) утворюють систему дзеркал, або оптичний резонатор. Він збирає в пучок лише ті фотони, які йдуть паралельно до вихідного отвору. Накачування твердотільних лазерів зазвичай відбувається за допомогою імпульсних ламп.
Види твердотільних лазерів
Залежно від способу виходу лазерного пучка розрізняють лазери безперервної дії та імпульсні. Кожен з них знаходить застосування та має своїособливості. Головна відмінність - імпульсні твердотільні лазери мають більш високу потужність. Так як для кожного пострілу фотони як би «скупчуються», то один імпульс здатний видати більшу енергію, ніж безперервна генерація за аналогічний період часу. Що менше триває імпульс, то потужніший кожен «постріл». Зараз технологічно можна побудувати фемтосекундний лазер. Один його імпульс триває близько 10 -15 секунд. Пов'язана така залежність про те, що описані вище процеси зворотної заселеності тривають дуже мало. Чим довше потрібно чекати перед тим, як лазер вистрілить, тим більше електронів встигне залишити інверсний рівень. Відповідно, знижується концентрація фотонів та енергія вихідного пучка.
Гравірування лазером
Візерунки на поверхні металевих і скляних речей прикрашають повсякденне життя людини. Їх можна нанести механічно, хімічно або лазером. Останній спосіб найсучасніший. Його переваги над іншими методами такі. Оскільки безпосереднього впливу на оброблювану поверхню немає, майже неможливо пошкодити річ у процесі нанесення візерунка чи написи. Лазерний промінь випалює дуже неглибокі канавки: поверхня з таким гравіюванням залишається гладкою, а отже, річ не пошкоджується та прослужить довше. У випадку металу лазерний промінь змінює саму структуру речовини, і напис не зітреться багато років. Якщо річчю користуватися акуратно, не занурювати їх у кислоту і деформувати, то кілька поколінь візерунок у ньому точно збережеться. Лазер для гравіювання краще вибирати твердотільний імпульсний з двох причин: процесами в твердому тілі простіше керувати, і він оптимальний за співвідношенням потужності та ціни.
Для гравіювання існують спеціальніустановки. Крім безпосередньо лазера, вони складаються з механічних напрямних, якими лазер рухається, і контролюючого устаткування (комп'ютера). Лазерний верстат застосовується у багатьох галузях людської діяльності. Вище ми говорили про оздоблення побутових предметів. Іменні столові прилади, запальнички, келихи, годинники надовго залишаться в сім'ї і нагадуватимуть про щасливі моменти.
Однак не тільки побутові, а й промислові товари потребують лазерного гравіювання. Великі заводи, наприклад, автомобільні, випускають деталі величезними тиражами: сотнями тисяч або мільйонами. Кожен такий елемент має бути помічений – коли та хто його створив. Кращого способу, ніж лазерне гравіювання, не знайти: номери, час випуску, термін служби надовго залишаться навіть на деталях, що рухаються, для яких підвищений ризик стирання. Лазерний верстат у цьому випадку має відрізнятися підвищеною потужністю, а також безпекою. Адже якщо гравіювання хоч на частки відсотків змінить властивість металевої деталі, вона може інакше реагувати на зовнішній вплив. Наприклад, ламатися у місці нанесення напису. Однак для побутового застосування підходить простіша і дешевша установка.