لیزر حالت جامد: اصل عملکرد، کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

این مقاله نشان می دهد که منابع تابش تک رنگ چیست و لیزر حالت جامد چه مزایایی نسبت به انواع دیگر دارد. این نشان می دهد که چگونه تولید تابش منسجم رخ می دهد، چرا دستگاه پالس قوی تر است، چرا حکاکی مورد نیاز است. همچنین سه عنصر ضروری لیزر و نحوه عملکرد آن را مورد بحث قرار می‌دهد.

نظریه منطقه

قبل از صحبت در مورد نحوه عملکرد لیزر (مثلاً حالت جامد)، باید برخی از مدل های فیزیکی را در نظر گرفت. همه از درس های مدرسه به یاد می آورند که الکترون ها در اطراف هسته اتم در مدارهای خاص یا سطوح انرژی قرار دارند. اگر نه یک اتم، بلکه تعداد زیادی اتم در اختیار داشته باشیم، یعنی هر جسم حجمی را در نظر بگیریم، یک مشکل پیش می‌آید.

طبق اصل پائولی، در جسم معینی با همان انرژی فقط یک الکترون می تواند وجود داشته باشد. علاوه بر این، حتی کوچکترین دانه ماسه حاوی تعداد زیادی اتم است. در این مورد، طبیعت یک راه بسیار زیبا پیدا کرده است - انرژی هر یکتفاوت الکترون با انرژی الکترون همسایه بسیار کم و تقریبا غیرقابل تشخیص است. در این حالت، تمام الکترون های هم سطح در یک باند انرژی "فشرده" می شوند. ناحیه ای که الکترون های دورتر از هسته در آن قرار دارند، ناحیه ظرفیت نامیده می شود. منطقه زیر آن انرژی بالاتری دارد. در آن، الکترون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند و به آن نوار رسانایی می‌گویند.

انتشار و جذب

هر لیزر (حالت جامد، گاز، شیمیایی) بر اساس اصول انتقال الکترون از یک منطقه به ناحیه دیگر کار می کند. اگر نور روی جسم بیفتد، فوتون به الکترون قدرت کافی می دهد تا آن را در حالت انرژی بالاتر قرار دهد. و بالعکس: وقتی یک الکترون از نوار رسانایی به نوار ظرفیت عبور می کند، یک فوتون ساطع می کند. اگر ماده نیمه هادی یا دی الکتریک باشد، نوارهای ظرفیت و رسانایی با فاصله ای از هم جدا می شوند که در آن یک سطح واحد وجود ندارد. بر این اساس، الکترون ها نمی توانند آنجا باشند. به این فاصله، فاصله باند می گویند. اگر فوتون انرژی کافی داشته باشد، الکترون ها از این بازه می پرند.

نسل

اصل عملکرد یک لیزر حالت جامد بر این واقعیت استوار است که یک سطح به اصطلاح معکوس در شکاف نواری یک ماده ایجاد می شود. طول عمر یک الکترون در این سطح بیشتر از زمانی است که در نوار رسانایی می گذراند. بنابراین، در یک دوره زمانی مشخص، روی آن است که الکترون ها "انباشته می شوند". این جمعیت معکوس نامیده می شود. وقتی از چنین سطحی خال خال گذشتالکترون ها، فوتونی با طول موج مورد نظر عبور می کند، باعث تولید همزمان تعداد زیادی امواج نور با طول و فاز یکسان می شود. یعنی، الکترون‌های یک بهمن همگی به طور همزمان به حالت پایه می‌روند و پرتویی از فوتون‌های تک رنگ با قدرت کافی تولید می‌کنند. لازم به ذکر است که مشکل اصلی توسعه دهندگان اولین لیزر جستجوی چنین ترکیبی از مواد بود که جمعیت معکوس یکی از سطوح برای آن امکان پذیر است. یاقوت آلیاژی به اولین ماده فعال تبدیل شد.

ترکیب لیزر

لیزر حالت جامد از نظر اجزای اصلی آن با انواع دیگر تفاوتی ندارد. بدنه کاری که جمعیت معکوس یکی از سطوح در آن انجام می شود توسط مقداری منبع نور روشن می شود. به آن پمپاژ می گویند. اغلب این می تواند یک لامپ رشته ای معمولی یا یک لوله تخلیه گاز باشد. دو انتهای موازی سیال کار (لیزر حالت جامد به معنای کریستال، لیزر گازی به معنای محیط کمیاب) سیستمی از آینه ها یا تشدیدگر نوری را تشکیل می دهند. فقط فوتون هایی را که موازی با خروجی هستند در یک پرتو جمع می کند. لیزرهای حالت جامد معمولاً با لامپ های فلاش پمپ می شوند.

انواع لیزرهای حالت جامد

بسته به نحوه خروج پرتو لیزر، لیزرهای پیوسته و پالسی تشخیص داده می شوند. هر کدام از آنها کاربرد پیدا می کنند و ویژگی های خاص خود را دارند. تفاوت اصلی این است که لیزرهای حالت جامد پالسی قدرت بالاتری دارند. زیرا برای هر ضربهبه نظر می رسد فوتون ها "انباشته می شوند"، سپس یک پالس قادر است انرژی بیشتری نسبت به تولید مداوم در یک دوره زمانی مشابه ارائه دهد. هر چه این ضربه کوتاه تر باشد، هر "شات" قوی تر است. در حال حاضر، ساخت یک لیزر فمتوثانیه از نظر فناوری امکان پذیر است. یکی از تکانه های آن حدود 10-15 ثانیه طول می کشد. این وابستگی با این واقعیت مرتبط است که فرآیندهای پس جمعیتی که در بالا توضیح داده شد بسیار بسیار کم طول می کشد. هر چه مدت زمان بیشتری طول بکشد تا لیزر "شتاب" کند، الکترون های بیشتری برای خروج از سطح معکوس زمان خواهند داشت. بر این اساس، غلظت فوتون ها و انرژی پرتو خروجی کاهش می یابد.

حکاکی لیزر

نقوش روی سطح اشیاء فلزی و شیشه ای زندگی روزمره انسان را زینت می دهد. آنها را می توان به صورت مکانیکی، شیمیایی یا با لیزر اعمال کرد. آخرین روش مدرن ترین است. مزایای آن نسبت به سایر روش ها به شرح زیر است. از آنجایی که هیچ ضربه مستقیمی بر روی سطحی که باید درمان شود وجود ندارد، آسیب رساندن به چیزی در فرآیند اعمال یک الگو یا کتیبه تقریباً غیرممکن است. پرتو لیزر شیارهای بسیار کم عمق را می سوزاند: سطح دارای چنین حکاکی صاف می ماند، به این معنی که چیز آسیب نمی بیند و بیشتر دوام می آورد. در مورد فلز، پرتو لیزر ساختار ماده را تغییر می دهد و کتیبه تا سال ها پاک نمی شود. اگر از چیزی با دقت استفاده شود، در اسید غوطه ور نشود و تغییر شکل ندهد، قطعاً برای چندین نسل الگوی روی آن حفظ می شود. به دو دلیل بهتر است لیزر پالسی حالت جامد را برای حکاکی انتخاب کنید: فرآیندهای حالت جامد.رانندگی راحت تر و از نظر قدرت و قیمت بهینه است.

نصب

تنظیمات خاصی برای حکاکی وجود دارد. علاوه بر خود لیزر، آنها از راهنماهای مکانیکی که لیزر در امتداد آنها حرکت می کند و تجهیزات کنترلی (کامپیوتر) تشکیل شده است. دستگاه لیزر در بسیاری از شاخه های فعالیت های انسانی استفاده می شود. در بالا در مورد تزیین وسایل منزل صحبت کردیم. کارد و چنگال شخصی، فندک، لیوان، ساعت برای مدت طولانی در خانواده می مانند و شما را به یاد لحظات خوشی می اندازند.

اما نه تنها کالاهای خانگی، بلکه صنعتی نیز به حکاکی لیزری نیاز دارند. کارخانه های بزرگ، مانند خودرو، قطعات را در مقادیر بسیار زیاد تولید می کنند: صدها هزار یا میلیون ها. هر یک از این عناصر باید علامت گذاری شود - چه زمانی و چه کسی آن را ایجاد کرده است. هیچ راهی بهتر از حکاکی لیزری وجود ندارد: اعداد، زمان تولید، عمر مفید حتی روی قطعات متحرک برای مدت طولانی باقی می مانند، که برای آنها خطر ساییدگی افزایش می یابد. دستگاه لیزر در این مورد باید با افزایش قدرت و همچنین ایمنی متمایز شود. از این گذشته، اگر حکاکی خاصیت یک قطعه فلزی را حتی کسری از درصد تغییر دهد، ممکن است به تأثیرات خارجی واکنش متفاوتی نشان دهد. به عنوان مثال، در محلی که کتیبه اعمال می شود، شکسته شود. با این حال، برای مصارف خانگی، نصب ساده‌تر و ارزان‌تر مناسب است.