לייזר במצב מוצק: עקרון הפעולה, יישום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

מאמר זה מראה מהם המקורות לקרינה מונוכרומטית ואילו יתרונות יש ללייזר מוצק על פני סוגים אחרים. הוא מספר כיצד מתרחשת יצירת קרינה קוהרנטית, מדוע ההתקן הפועם חזק יותר, מדוע יש צורך בחריטה. הוא גם דן בשלושת המרכיבים החיוניים של לייזר וכיצד הוא פועל.

תורת האזור

לפני שמדברים על איך פועל לייזר (מצב מוצק, למשל), יש לשקול כמה מודלים פיזיים. כולם זוכרים משיעורי בית הספר שאלקטרונים ממוקמים סביב גרעין האטום במסלולים מסוימים, או ברמות אנרגיה. אם לרשותנו לא אטום אחד, אלא רבים, כלומר, אנו מחשיבים כל גוף נפחי, אז מתעורר קושי אחד.

לפי עקרון פאולי, בגוף נתון עם אותה אנרגיה יכול להיות רק אלקטרון אחד. יתר על כן, אפילו גרגר החול הקטן ביותר מכיל מספר עצום של אטומים. במקרה זה, הטבע מצא מוצא אלגנטי מאוד - האנרגיה של כל אחדהאלקטרון שונה מהאנרגיה של השכן בכמות קטנה מאוד, כמעט בלתי ניתנת להבחנה. במקרה זה, כל האלקטרונים באותה רמה "דחוסים" לרצועת אנרגיה אחת. האזור שבו נמצאים האלקטרונים המרוחקים ביותר מהגרעין נקרא אזור הערכיות. לאזור שאחריו יש אנרגיה גבוהה יותר. בו, אלקטרונים נעים בחופשיות, והוא נקרא רצועת ההולכה.

פליטה וספיגה

כל לייזר (מצב מוצק, גז, כימי) פועל על פי העקרונות של מעבר אלקטרונים מאזור אחד למשנהו. אם אור נופל על הגוף, אז הפוטון נותן לאלקטרון מספיק כוח כדי להכניס אותו למצב אנרגיה גבוה יותר. ולהיפך: כאשר אלקטרון עובר מרצועת ההולכה לפס הערכיות, הוא פולט פוטון אחד. אם החומר הוא מוליך למחצה או דיאלקטרי, רצועות הערכיות וההולכה מופרדות במרווח שבו אין רמה אחת. בהתאם, אלקטרונים לא יכולים להיות שם. מרווח זה נקרא פער הלהקה. אם לפוטון יש מספיק אנרגיה, אז האלקטרונים קופצים מעל המרווח הזה.

Generation

עקרון הפעולה של לייזר במצב מוצק מבוסס על העובדה שנוצרת מה שנקרא רמה הפוכה במרווח הפס של חומר. משך החיים של אלקטרון ברמה זו ארוך יותר מהזמן שהוא מבלה ברצועת ההולכה. לפיכך, בפרק זמן מסוים, על זה "נצברים" אלקטרונים. זה נקרא אוכלוסייה הפוכה. כשעבר רמה כזו מנוקדתאלקטרונים, פוטון באורך הגל הרצוי עובר, הוא גורם ליצירה בו-זמנית של מספר רב של גלי אור באותו אורך ופאזה. כלומר, האלקטרונים במפולת עוברים כולם בו זמנית למצב הקרקע, ומייצרים קרן של פוטונים מונוכרומטיים בעוצמה גבוהה מספיק. יש לציין שהבעיה העיקרית של מפתחי הלייזר הראשון הייתה החיפוש אחר שילוב כזה של חומרים שתתאפשר אוכלוסייה הפוכה של אחת הרמות. האודם המסוגג הפך לחומר העבודה הראשון.

הרכב לייזר

הלייזר במצב מוצק אינו שונה מסוגים אחרים מבחינת המרכיבים העיקריים שלו. הגוף העובד, שבו מתבצעת האוכלוסייה ההפוכה של אחת הרמות, מואר על ידי מקור אור כלשהו. זה נקרא שאיבה. לעתים קרובות זו יכולה להיות מנורת ליבון רגילה או צינור פריקת גז. שני קצוות מקבילים של הנוזל העובד (לייזר במצב מוצק פירושו גביש, לייזר גז פירושו תווך מוזל) יוצרים מערכת של מראות, או מהוד אופטי. הוא אוסף לתוך קרן רק את הפוטונים ההולכים במקביל למוצא. לייזרים במצב מוצק נשאבים בדרך כלל עם מנורות הבזק.

סוגי לייזרים במצב מוצק

בהתאם לדרך שבה קרן הלייזר יוצאת, מבדילים בין לייזרים רציפים ופועמים. כל אחד מהם מוצא יישום ויש לו מאפיינים משלו. ההבדל העיקרי הוא שללייזרים פולסים במצב מוצק יש עוצמה גבוהה יותר. כי על כל זריקהנראה שפוטונים "נצברים", ואז דופק אחד מסוגל לספק יותר אנרגיה מאשר ייצור מתמשך לאורך פרק זמן דומה. ככל שהדחף נמשך קצר יותר, כל "זריקה" חזקה יותר. נכון לעכשיו, ניתן טכנולוגית לבנות לייזר פמט שנייה. אחד הדחפים שלו נמשך בערך 10-15 שניות. תלות זו קשורה לעובדה שתהליכי האכלוס האחורי שתוארו לעיל נמשכים מעט מאוד מאוד. ככל שייקח יותר זמן לחכות לפני שהלייזר "יורה", כך יש ליותר אלקטרונים זמן לצאת מהרמה ההפוכה. בהתאם, ריכוז הפוטונים והאנרגיה של אלומת המוצא מופחתים.

חריטת לייזר

דפוסים על פני השטח של חפצי מתכת וזכוכית מעטרים את חיי היומיום של אדם. ניתן ליישם אותם בצורה מכנית, כימית או בלייזר. השיטה האחרונה היא המודרנית ביותר. היתרונות שלו על פני שיטות אחרות הם כדלקמן. מכיוון שאין השפעה ישירה על פני השטח לטיפול, זה כמעט בלתי אפשרי לפגוע בדבר בתהליך של יישום דפוס או כיתוב. קרן הלייזר שורפת חריצים רדודים מאוד: המשטח עם חריטה כזו נשאר חלק, מה שאומר שהדבר לא ניזוק ויחזיק מעמד זמן רב יותר. במקרה של מתכת, קרן הלייזר משנה את עצם מבנה החומר, והכתובת לא תימחק במשך שנים רבות. אם נעשה שימוש בזהירות בדבר, לא שקוע בחומצה ולא מעוות, אז במשך כמה דורות התבנית עליו בהחלט תישמר. עדיף לבחור בלייזר דופק במצב מוצק לחריטה משתי סיבות: תהליכי מצב מוצקקל יותר לנהיגה, והוא אופטימלי מבחינת הספק ומחיר.

התקנה

ישנן הגדרות מיוחדות לחריטה. בנוסף ללייזר עצמו, הם מורכבים ממובילים מכניים שלאורכם נע הלייזר ומציוד בקרה (מחשב). מכונת הלייזר משמשת בענפים רבים של פעילות אנושית. למעלה, דיברנו על קישוט כלי בית. סכו ם אישי, מציתים, כוסות, שעונים יישארו במשפחה לאורך זמן ויזכירו לכם רגעים מאושרים.

עם זאת, לא רק ביתי, אלא גם מוצרים תעשייתיים זקוקים לחריטה בלייזר. מפעלים גדולים, כמו מכוניות, מייצרים חלקים בכמויות אדירות: מאות אלפים או מיליונים. כל אלמנט כזה צריך להיות מסומן - מתי ומי יצר אותו. אין דרך טובה יותר מאשר חריטה בלייזר: מספרים, זמן ייצור, חיי שירות יישארו לאורך זמן גם על חלקים נעים, שעבורם קיים סיכון מוגבר לשחיקה. יש להבחין במכונת הלייזר במקרה זה על ידי כוח מוגבר, כמו גם בטיחות. אחרי הכל, אם חריטה משנה את התכונה של חלק מתכת אפילו בשבריר של אחוז, היא עלולה להגיב אחרת להשפעות חיצוניות. לדוגמה, הפסקה במקום בו מוחל הכיתוב. עם זאת, לשימוש ביתי, מתאימה התקנה פשוטה וזולה יותר.