Laser półprzewodnikowy: zasada działania, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Ten artykuł pokazuje, jakie są źródła promieniowania monochromatycznego i jakie zalety ma laser na ciele stałym nad innymi typami. Mówi, w jaki sposób zachodzi generowanie spójnego promieniowania, dlaczego urządzenie impulsowe jest mocniejsze, dlaczego potrzebne jest grawerowanie. Omówiono również trzy podstawowe elementy lasera i sposób jego działania.

Teoria stref

Zanim zaczniemy mówić o działaniu lasera (na przykład półprzewodnikowego), należy rozważyć kilka modeli fizycznych. Wszyscy pamiętają ze szkolnych lekcji, że elektrony znajdują się wokół jądra atomowego na określonych orbitach lub poziomach energetycznych. Jeśli mamy do dyspozycji nie jeden atom, ale wiele, to znaczy rozważamy dowolne ciało wolumetryczne, to pojawia się jedna trudność.

Zgodnie z zasadą Pauliego w danym ciele o tej samej energii może znajdować się tylko jeden elektron. Co więcej, nawet najmniejsze ziarnko piasku zawiera ogromną liczbę atomów. W tym przypadku natura znalazła bardzo eleganckie wyjście – energię każdegoelektron różni się od energii sąsiedniego bardzo małą, prawie nie do odróżnienia ilością. W tym przypadku wszystkie elektrony na tym samym poziomie są „skompresowane” w jedno pasmo energii. Strefa, w której znajdują się elektrony najbardziej oddalone od jądra, nazywana jest strefą walencyjną. Strefa za nią ma wyższą energię. W nim elektrony poruszają się swobodnie i nazywa się to pasmem przewodnictwa.

Emisja i absorpcja

Każdy laser (stały, gazowy, chemiczny) działa na zasadzie przejścia elektronów z jednej strefy do drugiej. Jeśli światło pada na ciało, foton daje elektronowi wystarczającą siłę, aby wprowadzić go w wyższy stan energetyczny. I odwrotnie: gdy elektron przechodzi z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, emituje jeden foton. Jeśli substancja jest półprzewodnikiem lub dielektrykiem, pasma walencyjne i przewodnictwa są oddzielone przedziałem, w którym nie ma jednego poziomu. W związku z tym elektronów nie może tam być. Ten przedział nazywa się pasmem wzbronionym. Jeśli foton ma wystarczającą energię, elektrony przeskakują ten przedział.

Generacja

Zasada działania lasera na ciele stałym opiera się na fakcie, że w przerwie energetycznej substancji powstaje tak zwany poziom odwrotny. Żywotność elektronu na tym poziomie jest dłuższa niż czas przebywania w paśmie przewodnictwa. Tak więc przez pewien czas to na nim elektrony „gromadzą się”. Nazywa się to populacją odwrotną. Kiedy przekroczysz taki poziom kropkowanyelektrony, przechodzący foton o pożądanej długości fali, powoduje jednoczesne generowanie dużej liczby fal świetlnych o tej samej długości i fazie. Oznacza to, że wszystkie elektrony w lawinie przechodzą jednocześnie do stanu podstawowego, generując wiązkę monochromatycznych fotonów o wystarczająco dużej mocy. Należy zauważyć, że głównym problemem twórców pierwszego lasera było poszukiwanie takiej kombinacji substancji, dla której możliwa byłaby odwrotna populacja jednego z poziomów. Stopiony rubin stał się pierwszą substancją roboczą.

Kompozycja laserowa

Laser na ciele stałym nie różni się od innych typów pod względem głównych elementów. Korpus roboczy, w którym przeprowadzana jest odwrotna populacja jednego z poziomów, jest oświetlony jakimś źródłem światła. Nazywa się to pompowaniem. Często może to być zwykła żarówka lub rura wyładowcza. Dwa równoległe końce płynu roboczego (laser na ciele stałym to kryształ, laser gazowy to ośrodek rozrzedzony) tworzą układ luster, czyli rezonator optyczny. Zbiera w wiązkę tylko te fotony, które biegną równolegle do wylotu. Lasery półprzewodnikowe są zwykle pompowane lampami błyskowymi.

Rodzaje laserów na ciele stałym

W zależności od sposobu wyjścia wiązki laserowej rozróżnia się lasery ciągłe i impulsowe. Każdy z nich znajduje zastosowanie i ma swoją własną charakterystykę. Główna różnica polega na tym, że impulsowe lasery na ciele stałym mają wyższą moc. Bo za każdy strzałfotony wydają się „akumulować”, wtedy jeden impuls jest w stanie dostarczyć więcej energii niż ciągła generacja w podobnym okresie czasu. Im krócej trwa impuls, tym mocniejszy jest każdy „strzał”. W chwili obecnej technologicznie możliwe jest zbudowanie lasera femtosekundowego. Jeden z jego impulsów trwa około 10-15 sekund. Zależność ta związana jest z faktem, że opisane powyżej procesy wyludniania wstecz trwają bardzo, bardzo krótko. Im dłużej trwa oczekiwanie, zanim laser „wystrzeli”, tym więcej elektronów zdąży opuścić poziom odwrotny. W związku z tym zmniejsza się koncentracja fotonów i energia wiązki wyjściowej.

Grawerowanie laserowe

Wzory na powierzchni metalowych i szklanych przedmiotów zdobią codzienne życie człowieka. Mogą być nakładane mechanicznie, chemicznie lub za pomocą lasera. Ostatnia metoda jest najnowocześniejsza. Jego zalety nad innymi metodami są następujące. Ponieważ nie ma bezpośredniego wpływu na obrabianą powierzchnię, prawie niemożliwe jest uszkodzenie rzeczy podczas nakładania wzoru lub napisu. Wiązka lasera wypala bardzo płytkie rowki: powierzchnia z takim grawerem pozostaje gładka, co oznacza, że rzecz nie jest uszkodzona i wytrzyma dłużej. W przypadku metalu wiązka lasera zmienia samą strukturę substancji, a napis nie zostanie wymazany przez wiele lat. Jeśli rzecz jest używana ostrożnie, nie zanurzona w kwasie i nie zdeformowana, to przez kilka pokoleń wzór na niej na pewno zostanie zachowany. Do grawerowania najlepiej wybrać laser impulsowy na ciele stałym z dwóch powodów: procesy na ciele stałymłatwiejszy w prowadzeniu i optymalny pod względem mocy i ceny.

Instalacja

Istnieją specjalne ustawienia grawerowania. Oprócz samego lasera składają się na nie mechaniczne prowadnice, po których porusza się laser, oraz urządzenia sterujące (komputer). Maszyna laserowa znajduje zastosowanie w wielu gałęziach ludzkiej działalności. Powyżej rozmawialiśmy o dekorowaniu artykułów gospodarstwa domowego. Osobiste sztućce, zapalniczki, okulary, zegarki na długo pozostaną w rodzinie i będą przypominać o szczęśliwych chwilach.

Jednak nie tylko artykuły gospodarstwa domowego, ale także przemysłowe wymagają grawerowania laserowego. Duże fabryki, takie jak samochody, produkują części w ogromnych ilościach: setki tysięcy lub miliony. Każdy taki element należy oznaczyć – kiedy i kto go stworzył. Nie ma lepszego sposobu niż grawerowanie laserowe: liczby, czas produkcji, żywotność pozostaną przez długi czas nawet na ruchomych częściach, dla których istnieje zwiększone ryzyko ścierania. Maszyna laserowa w tym przypadku powinna wyróżniać się zwiększoną mocą, a także bezpieczeństwem. W końcu, jeśli grawerowanie zmienia właściwości części metalowej nawet o ułamek procenta, może ona inaczej reagować na wpływy zewnętrzne. Na przykład przerwij w miejscu, w którym znajduje się napis. Jednak do użytku domowego odpowiednia jest prostsza i tańsza instalacja.