Laser trạng thái rắn: nguyên lý hoạt động, ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Bài viết này chỉ ra các nguồn bức xạ đơn sắc là gì và laser thể rắn có những ưu điểm gì so với các loại khác. Nó cho biết quá trình tạo ra bức xạ kết hợp xảy ra như thế nào, tại sao thiết bị tạo xung lại mạnh hơn, tại sao cần khắc. Nó cũng thảo luận về ba yếu tố thiết yếu của laser và cách thức hoạt động của nó.

Lý thuyết vùng

Trước khi nói về cách hoạt động của tia laze (ví dụ ở trạng thái rắn), cần xem xét một số mô hình vật lý. Mọi người đều nhớ từ những bài học ở trường rằng các electron nằm xung quanh hạt nhân nguyên tử trong những quỹ đạo nhất định, hoặc mức năng lượng. Nếu chúng ta sử dụng không phải một nguyên tử mà là nhiều nguyên tử, tức là chúng ta coi bất kỳ vật thể tích nào, thì một khó khăn sẽ nảy sinh.

Theo nguyên lý Pauli, trong một cơ thể nhất định có cùng năng lượng chỉ có thể có một electron. Hơn nữa, ngay cả hạt cát nhỏ nhất cũng chứa một số lượng lớn các nguyên tử. Trong trường hợp này, thiên nhiên đã tìm ra một lối thoát rất thanh lịch - năng lượng của mỗielectron khác với năng lượng của điện tử lân cận một lượng rất nhỏ, gần như không thể phân biệt được. Trong trường hợp này, tất cả các electron cùng mức bị "nén" vào một vùng năng lượng. Vùng mà các electron ở xa hạt nhân nhất được gọi là vùng hóa trị. Vùng theo sau nó có năng lượng cao hơn. Trong đó, các electron chuyển động tự do, và nó được gọi là vùng dẫn.

Phát thải và hấp thụ

Bất kỳ tia laser nào (trạng thái rắn, khí, hóa học) đều hoạt động trên nguyên tắc chuyển electron từ vùng này sang vùng khác. Nếu ánh sáng chiếu vào cơ thể, thì photon cung cấp cho electron đủ sức mạnh để đưa nó vào trạng thái năng lượng cao hơn. Và ngược lại: khi một êlectron đi từ vùng dẫn sang vùng hoá trị thì nó sẽ phát ra một phôtôn. Nếu chất đó là chất bán dẫn hoặc chất điện môi thì vùng hoá trị và vùng dẫn cách nhau một khoảng trong đó không có mức duy nhất. Theo đó, các electron không thể ở đó. Khoảng này được gọi là khoảng cách vùng cấm. Nếu photon có đủ năng lượng thì các electron sẽ nhảy qua khoảng thời gian này.

Thế hệ

Nguyên tắc hoạt động của laser trạng thái rắn dựa trên thực tế là một mức được gọi là mức nghịch đảo được tạo ra trong vùng cấm của một chất. Thời gian tồn tại của một electron ở mức này dài hơn thời gian nó ở trong vùng dẫn. Vì vậy, trong một khoảng thời gian nhất định, các điện tử "tích tụ" trên đó. Đây được gọi là dân số nghịch đảo. Khi vượt qua một cấp độ như vậy chấmelectron, một photon có bước sóng mong muốn đi qua, nó gây ra sự tạo ra đồng thời một số lượng lớn sóng ánh sáng có cùng độ dài và cùng pha. Nghĩa là, các electron trong một vụ lở tuyết đồng thời chuyển sang trạng thái cơ bản, tạo ra chùm photon đơn sắc có công suất đủ lớn. Cần lưu ý rằng vấn đề chính của các nhà phát triển tia laser đầu tiên là việc tìm kiếm sự kết hợp của các chất sao cho có thể có một quần thể nghịch đảo của một trong các mức. Đá ruby hợp kim trở thành chất làm việc đầu tiên.

Thành phần Laser

Laser thể rắn không khác các loại khác về thành phần chính của nó. Cơ quan làm việc, trong đó dân số nghịch đảo của một trong các mức được thực hiện, được chiếu sáng bởi một số nguồn sáng. Nó được gọi là bơm. Thường thì đây có thể là một bóng đèn sợi đốt thông thường hoặc một ống phóng khí. Hai đầu song song của chất lỏng hoạt động (laser thể rắn có nghĩa là tinh thể, laser khí có nghĩa là môi trường hiếm) tạo thành một hệ thống các gương, hoặc một bộ cộng hưởng quang học. Nó thu thập thành một chùm chỉ những photon đi song song với đầu ra. Laser thể rắn thường được bơm bằng đèn nháy.

Các loại laser trạng thái rắn

Tùy thuộc vào cách tia laze thoát ra, laze liên tục và xung được phân biệt. Mỗi người trong số họ tìm thấy ứng dụng và có đặc điểm riêng của nó. Sự khác biệt chính là laser trạng thái rắn xung có công suất cao hơn. Bởi vì đối với mỗi cảnh quaycác photon dường như “tích tụ”, khi đó một xung có khả năng cung cấp nhiều năng lượng hơn so với việc tạo ra liên tục trong một khoảng thời gian tương tự. Xung lực kéo dài càng ngắn thì mỗi "phát súng" càng mạnh. Hiện tại, về mặt công nghệ, có thể chế tạo một tia laser femto giây. Một trong những xung động của nó kéo dài khoảng 10-15giây. Sự phụ thuộc này được kết nối với thực tế là các quá trình dân số lùi được mô tả ở trên kéo dài rất rất ít. Thời gian chờ đợi trước khi tia laser "bắn" càng lâu thì càng có nhiều điện tử có thời gian rời khỏi mức nghịch đảo. Theo đó, nồng độ của các photon và năng lượng của chùm tia đầu ra bị giảm xuống.

Khắc laser

Hoa văn trên bề mặt của những thứ bằng kim loại và thủy tinh tô điểm cho cuộc sống hàng ngày của con người. Chúng có thể được áp dụng bằng cơ học, hóa học hoặc bằng tia laser. Phương pháp cuối cùng là phương pháp hiện đại nhất. Ưu điểm của nó so với các phương pháp khác như sau. Vì không có tác động trực tiếp lên bề mặt được xử lý, nên hầu như không thể làm hỏng một thứ trong quá trình áp dụng hoa văn hoặc dòng chữ. Chùm tia laze đốt cháy các rãnh rất nông: bề mặt có hình khắc như vậy vẫn nhẵn, có nghĩa là đồ vật không bị hư hại và sẽ tồn tại lâu hơn. Trong trường hợp làm bằng kim loại, chùm tia laze sẽ thay đổi cấu trúc của chất đó, và dòng chữ sẽ không bị xóa trong nhiều năm. Nếu một vật được sử dụng cẩn thận, không ngâm trong axit và không bị biến dạng, thì hoa văn trên đó chắc chắn sẽ được lưu giữ trong nhiều thế hệ. Tốt nhất nên chọn loại laser xung trạng thái rắn để khắc vì hai lý do: quy trình ở trạng thái rắndễ lái hơn và nó tối ưu về sức mạnh và giá cả.

Cài đặt

Có các cài đặt đặc biệt để khắc. Ngoài bản thân tia laser, chúng còn bao gồm các thanh dẫn cơ học mà tia laser di chuyển và thiết bị điều khiển (máy tính). Máy laser được sử dụng trong nhiều ngành hoạt động của con người. Trên đây, chúng tôi đã nói về việc trang trí các vật dụng trong gia đình. Bộ dao kéo, bật lửa, kính, đồng hồ cá nhân sẽ ở lại lâu dài trong gia đình và gợi nhớ cho bạn những khoảnh khắc hạnh phúc.

Tuy nhiên, không chỉ đồ gia dụng mà hàng công nghiệp cũng cần khắc laser. Các nhà máy lớn, chẳng hạn như ô tô, sản xuất các bộ phận với số lượng rất lớn: hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu. Mỗi phần tử như vậy nên được đánh dấu - khi nào và ai đã tạo ra nó. Không có cách nào tốt hơn là khắc laser: các con số, thời gian sản xuất, tuổi thọ sử dụng sẽ tồn tại lâu dài ngay cả trên các bộ phận chuyển động, do đó nguy cơ mài mòn sẽ cao hơn. Máy laser trong trường hợp này nên được phân biệt bởi công suất tăng lên, cũng như độ an toàn. Rốt cuộc, nếu việc khắc làm thay đổi tính chất của một bộ phận kim loại dù chỉ một phần trăm, nó có thể phản ứng khác với các tác động bên ngoài. Ví dụ, ngắt tại nơi mà dòng chữ được áp dụng. Tuy nhiên, để sử dụng trong gia đình, việc lắp đặt đơn giản hơn và rẻ hơn là phù hợp.