Твердотільний Лазер: принцип роботи, застосування

Дана стаття показує, які бувають джерела монохроматичного випромінювання і які переваги має твердотільний лазер перед іншими видами. Тут розказано, яким чином відбувається генерація когерентного випромінювання, чому імпульсний пристрій потужніше, для чого потрібна гравірування. Також тут розглядаються три обов'язкових елементи лазера і принцип його роботи.

Зонна теорія

Перш ніж говорити про те, 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 в нашому розпорядженні не один атом, а багато, тобто ми розглядаємо будь-об'ємне тіло, то виникає одна складність.


Згідно принципом Паулі, в даному тілі з однією і тією ж енергією може бути тільки один електрон. При цьому навіть найменша піщинка містить величезну кількість атомів. Природа у даному випадку знайшла вельми витончений вихід – енергія кожного електрона відрізняється від енергії сусіднього на дуже маленьку, майже неразличимую 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. В ній електрони пересуваються вільно, і вона називається зоною провідності.

Випущення і поглинання

Будь-лазер (твердотільний газовий, хімічний) працює на принципах переходу електрона з однієї зони в іншу. Якщо на тіло падає світло, то фотон надає електрону достатньо сил, щоб він опинився в більш високому енергетичному стані. І навпаки: коли електрон переходить із зони провідності у валентну, то він випускає один фотон. Якщо речовина є напівпровідником або діелектриком, зони валентна і провідності розділені інтервалом, в якому немає ні одного рівня. Відповідно, електрони перебувати там не можуть. Цей інтервал називається забороненою зоною. Якщо фотон має достатню енергію, то електрони долають цей інтервал стрибком.

Генерація

Принцип роботи твердотільного лазера будується на тому, що в забороненій зоні речовини створюється так званий інверсний рівень. Час життя електрона на цьому рівні вище, ніж час його знаходження в зоні провідності. Таким чином, в певний проміжок часу саме на ньому «накопичуються» електрони. Це називається інверсною заселеністю. Коли повз такого рівня, засіяного електронами, проходить фотон потрібної довжини хвилі, він викликає одночасну генерацію великої кількості однакових по довжині і фазі світлових хвиль. Тобто електрони лавиною все одночасно переходять в основний стан, породжуючи пучок монохроматичних фотонів достатньо великої потужності. Варто зазначити, що основною проблемою розробників першого лазера був пошук такого поєднання речовин, для якого була б можлива інверсна заселеність одного з рівнів. Першим робочим речовиною став легований рубін.

Склад лазера

Твердотільний Лазер з основних компонентів не відрізняється від інших видів. Робоче тіло, в якому здійснюється інверсна заселеність одного з рівнів, висвітлюється яким-небудь джерелом світла. Він називається накачуванням. Часто це може бути звичайна лампа розжарювання або газорозрядна трубка. Два паралельно йдуть торця робочого тіла (твердотільний лазер передбачає кристал, газовий – розріджену середу) утворюють систему дзеркал, або оптичний резонатор. Він збирає в пучок тільки ті фотони, які йдуть паралельно вихідного отвору. Накачування твердотільних лазерів зазвичай відбувається з допомогою імпульсних ламп.

Види твердотільних лазерів

Залежно від способу виходу лазерного пучка розрізняють лазери безперервної дії й імпульсні. Кожен з них знаходить застосування і має свої особливості. Головна відмінність - твердотільні імпульсні лазери володіють більш високою потужністю. Так як для кожного пострілу фотони як би «накопичуються», то один імпульс здатний видати більшу енергію, ніж безперервна генерація за аналогічний період часу. Чим менше триває імпульс, тим потужніше кожен «постріл». На даний момент технологічно можливо побудувати фемтосекундний лазер. Один його імпульс триває близько 10 -15 секунди. Пов'язана така залежність з тим, що описані вище процеси зворотного заселеності тривають дуже і дуже мало. Чим довше потрібно чекати перед тим, як лазер «вистрілить», тим більше електронів встигне покинути інверсний рівень. Відповідно, знижується концентрація фотонів і енергія вихідного пучка.

Гравірування лазером

Візерунки на поверхні металевих і скляних речей прикрашають повсякденне життя людини. Їх можна нанести механічно, хімічно або за допомогою лазера. Останній спосіб найбільш сучасний. Його переваги перед іншими методами наступні. Так як безпосереднього впливу на оброблювану поверхню немає, то майже неможливо пошкодити річ в процесі нанесення візерунка або написи. Лазерний промінь випалює дуже неглибокі канавки: поверхня з такою гравіюванням залишається гладкою, а значить, річ не пошкоджується і прослужить довше. У випадку з металом лазерний промінь змінює саму структуру речовини, і напис не зітреться багато років. Якщо річчю користуватися акуратно, не занурюйте її в кислоту і не деформувати, то на кілька поколінь візерунок на ній точно збережеться. Лазер для гравіювання краще всього вибирати твердотільний імпульсний з двох причин: процесами в твердому тілі простіше керувати, і він оптимальний за співвідношенням потужності і ціни.

Установка

Для гравіювання існують спеціальні установки. Крім безпосередньо лазера, вони складаються з механічних напрямних, по яких лазер рухається, і контролюючого обладнання (комп'ютера). Лазерний верстат застосовується в багатьох галузях людської діяльності. Вище ми говорили про оздобленні побутових предметів. Іменні столові прилади, запальнички, келихи, годинник надовго залишаться в сім'ї і будуть нагадувати про щасливих моментах. Однак не тільки побутові, але і промислові товари потребують лазерного гравірування. Великі заводи, наприклад автомобільні, випускають деталі величезними тиражами: сотнями тисяч чи мільйонами. Кожен такий елемент повинен бути позначений коли і хто його створив. Кращого способу, ніж лазерна гравірування, не знайти: номер, дата випуску, термін служби надовго залишаться навіть на рухомих деталях, для яких підвищений ризик стирання. Лазерний верстат в даному випадку повинен відрізнятися підвищеною потужністю, а також безпекою. Адже якщо гравірування хоч на частки відсотків змінить властивість металевої деталі, інакше вона може реагувати на зовнішній вплив. Наприклад, ламатися в місці нанесення напису. Однак для побутового застосування підходить більш проста й дешева установка.