Katı hal lazeri: çalışma prensibi, uygulama

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

Bu makale, monokromatik radyasyon kaynaklarının neler olduğunu ve katı hal lazerinin diğer türlere göre ne gibi avantajları olduğunu gösterir. Tutarlı radyasyon üretiminin nasıl gerçekleştiğini, darbeli cihazın neden daha güçlü olduğunu, neden gravür gerektiğini anlatıyor. Ayrıca bir lazerin üç temel öğesini ve nasıl çalıştığını tartışır.

Bölge teorisi

Bir lazerin (örneğin katı hal) nasıl çalıştığından bahsetmeden önce, bazı fiziksel modeller düşünülmelidir. Herkes elektronların atom çekirdeğinin etrafında belirli yörüngelerde veya enerji seviyelerinde bulunduğunu okul derslerinden hatırlar. Elimizde bir atom değil, birçok atom varsa, yani herhangi bir hacimsel gövdeyi düşünürsek, o zaman bir zorluk ortaya çıkar.

Pauli ilkesine göre, aynı enerjiye sahip belirli bir vücutta sadece bir elektron olabilir. Dahası, en küçük kum tanesi bile çok sayıda atom içerir. Bu durumda, doğa çok zarif bir çıkış yolu buldu - her birinin enerjisielektron, komşunun enerjisinden çok küçük, neredeyse ayırt edilemez bir miktarda farklıdır. Bu durumda, aynı seviyedeki tüm elektronlar tek bir enerji bandına "sıkıştırılır". Çekirdekten en uzak elektronların bulunduğu bölgeye değerlik bölgesi denir. Onu takip eden bölge daha yüksek bir enerjiye sahiptir. İçinde elektronlar serbestçe hareket eder ve buna iletim bandı denir.

Emisyon ve emilim

Herhangi bir lazer (katı hal, gaz, kimyasal), bir bölgeden diğerine elektron geçişi ilkeleri üzerinde çalışır. Vücuda ışık düşerse, foton elektrona onu daha yüksek bir enerji durumuna sokmak için yeterli gücü verir. Ve tam tersi: bir elektron iletim bandından değerlik bandına geçtiğinde, bir foton yayar. Madde yarı iletken veya dielektrik ise, değerlik ve iletim bantları tek bir seviye olmayan bir aralıkla ayrılır. Buna göre, elektronlar orada olamaz. Bu aralığa bant aralığı denir. Fotonun yeterli enerjisi varsa, elektronlar bu aralığın üzerinden atlar.

Nesil

Katı hal lazerinin çalışma prensibi, bir maddenin bant aralığında ters bir seviyenin oluşması gerçeğine dayanır. Bir elektronun bu seviyedeki ömrü, iletim bandında geçirdiği süreden daha uzundur. Böylece, belirli bir süre içinde elektronların “biriktiği” yer burasıdır. Buna ters popülasyon denir. Böyle bir seviyeyi geçtiğinde noktalıelektronlar, istenilen dalga boyunda bir foton geçer, aynı uzunluk ve fazda çok sayıda ışık dalgasının aynı anda üretilmesine neden olur. Yani, çığdaki elektronların tümü, aynı anda, yeterince yüksek güçte bir monokromatik foton demeti oluşturarak temel duruma geçer. İlk lazerin geliştiricilerinin asıl sorununun, seviyelerden birinin ters popülasyonunun mümkün olacağı böyle bir madde kombinasyonunun aranması olduğu belirtilmelidir. Alaşımlı yakut, çalışan ilk madde oldu.

Lazer Kompozisyon

Katı hal lazeri, ana bileşenleri açısından diğer tiplerden farklı değildir. Seviyelerden birinin ters popülasyonunun gerçekleştirildiği çalışma gövdesi, bir ışık kaynağı ile aydınlatılır. Pompalama denir. Genellikle bu, sıradan bir akkor lamba veya bir gaz deşarj tüpü olabilir. Çalışan akışkanın iki paralel ucu (katı hal lazeri kristal anlamına gelir, gaz lazeri seyrekleştirilmiş bir ortam anlamına gelir) bir ayna sistemi veya bir optik rezonatör oluşturur. Sadece çıkışa paralel giden fotonları bir demet halinde toplar. Katı hal lazerleri genellikle flaş lambalarıyla pompalanır.

Katı hal lazerlerinin türleri

Lazer ışınının çıkış şekline bağlı olarak, sürekli ve darbeli lazerler ayırt edilir. Her biri uygulama bulur ve kendine has özellikleri vardır. Temel fark, darbeli katı hal lazerlerinin daha yüksek bir güce sahip olmasıdır. Çünkü her atış içinfotonlar "birikiyor" gibi görünüyor, o zaman bir darbe, benzer bir süre boyunca sürekli üretimden daha fazla enerji verme yeteneğine sahip. Dürtü ne kadar kısa sürerse, her "atış" o kadar güçlü olur. Şu anda bir femtosaniye lazeri yapmak teknolojik olarak mümkün. Darbelerinden biri yaklaşık 10-15 saniye sürer. Bu bağımlılık, yukarıda açıklanan geri popülasyon süreçlerinin çok, çok az sürmesi gerçeğiyle bağlantılıdır. Lazer "ateş" etmeden önce beklemek ne kadar uzun sürerse, elektronların ters seviyeden ayrılmak için o kadar zamanı olur. Buna göre, fotonların konsantrasyonu ve çıkış ışınının enerjisi azalır.

Lazer oyma

Metal ve cam eşyaların yüzeyindeki desenler insanın günlük hayatını süslüyor. Mekanik, kimyasal veya lazer ile uygulanabilirler. Son yöntem en modern olanıdır. Diğer yöntemlere göre avantajları aşağıdaki gibidir. İşlem görecek yüzeye doğrudan bir etkisi olmadığı için desen veya yazı uygulama sürecinde bir şeye zarar vermek neredeyse imkansızdır. Lazer ışını çok sığ olukları yakar: böyle bir oymaya sahip yüzey pürüzsüz kalır, bu da şeyin hasar görmediği ve daha uzun süre dayanacağı anlamına gelir. Metal durumunda, lazer ışını maddenin yapısını değiştirir ve yazıt uzun yıllar silinmez. Bir şey dikkatli kullanılırsa, aside batırılmaz ve deforme olmazsa, birkaç nesil boyunca üzerindeki desen kesinlikle korunacaktır. Gravür için bir katı hal darbeli lazer seçmek iki nedenden dolayı en iyisidir: katı hal süreçlerisürmesi daha kolaydır ve güç ve fiyat açısından idealdir.

Kurulum

Oyma için özel ayarlar vardır. Lazerin kendisine ek olarak, lazerin hareket ettiği mekanik kılavuzlardan ve kontrol ekipmanından (bilgisayar) oluşurlar. Lazer makinesi, insan faaliyetinin birçok dalında kullanılmaktadır. Yukarıda ev eşyalarının dekorasyonundan bahsetmiştik. Kişisel çatal bıçak takımı, çakmaklar, bardaklar, saatler ailede uzun süre kalacak ve size mutlu anları hatırlatacak.

Ancak, sadece ev eşyaları değil, endüstriyel ürünler de lazer kazımaya ihtiyaç duyar. Otomobil gibi büyük fabrikalar çok büyük miktarlarda parça üretirler: yüzbinlerce veya milyonlarca. Bu tür öğelerin her biri işaretlenmelidir - onu ne zaman ve kim yarattı. Lazer kazımaktan daha iyi bir yol yoktur: sayılar, üretim süresi, hizmet ömrü, aşınma riskinin yüksek olduğu hareketli parçalarda bile uzun süre kalacaktır. Bu durumda lazer makinesi, güvenliğin yanı sıra artan güç ile ayırt edilmelidir. Sonuçta, gravür bir metal parçanın özelliğini yüzde küçük bir oranda bile değiştiriyorsa, dış etkilere farklı tepki verebilir. Örneğin, yazının uygulandığı yerde kırın. Ancak ev içi kullanım için daha basit ve daha ucuz bir kurulum uygundur.