Laser solid-state: prinsip operasi, aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Artikel ini menunjukkan sumber radiasi monokromatik dan keunggulan laser solid-state dibandingkan jenis lainnya. Ini memberitahu bagaimana generasi radiasi koheren terjadi, mengapa perangkat berdenyut lebih kuat, mengapa ukiran diperlukan. Ini juga membahas tiga elemen penting dari laser dan cara kerjanya.

Teori zona

Sebelum berbicara tentang cara kerja laser (solid-state, misalnya), beberapa model fisik harus dipertimbangkan. Semua orang ingat dari pelajaran sekolah bahwa elektron terletak di sekitar inti atom dalam orbit tertentu, atau tingkat energi. Jika kita tidak memiliki satu atom, tetapi banyak, yaitu, kita mempertimbangkan benda volumetrik apa pun, maka satu kesulitan muncul.

Menurut prinsip Pauli, dalam suatu benda dengan energi yang sama hanya ada satu elektron. Selain itu, bahkan butiran pasir terkecil pun mengandung sejumlah besar atom. Dalam hal ini, alam telah menemukan jalan keluar yang sangat elegan - energi masing-masingelektron berbeda dari energi tetangganya dalam jumlah yang sangat kecil, hampir tidak dapat dibedakan. Dalam hal ini, semua elektron dengan tingkat yang sama "dikompresi" menjadi satu pita energi. Zona di mana elektron paling jauh dari nukleus berada disebut zona valensi. Zona yang mengikutinya memiliki energi yang lebih tinggi. Di dalamnya, elektron bergerak bebas, dan ini disebut pita konduksi.

Emisi dan penyerapan

Laser apa pun (keadaan padat, gas, kimia) bekerja berdasarkan prinsip transisi elektron dari satu zona ke zona lainnya. Jika cahaya jatuh pada tubuh, maka foton memberikan elektron kekuatan yang cukup untuk menempatkannya dalam keadaan energi yang lebih tinggi. Dan sebaliknya: ketika sebuah elektron berpindah dari pita konduksi ke pita valensi, ia memancarkan satu foton. Jika zat tersebut adalah semikonduktor atau dielektrik, pita valensi dan pita konduksi dipisahkan oleh suatu interval yang tidak memiliki tingkat tunggal. Dengan demikian, elektron tidak bisa berada di sana. Interval ini disebut celah pita. Jika foton memiliki energi yang cukup, maka elektron melompati interval ini.

Generasi

Prinsip pengoperasian laser solid-state didasarkan pada fakta bahwa apa yang disebut level terbalik dibuat di celah pita suatu zat. Masa hidup elektron pada tingkat ini lebih lama daripada waktu yang dihabiskannya di pita konduksi. Jadi, dalam periode waktu tertentu, di atasnya elektron "berakumulasi". Ini disebut populasi terbalik. Ketika melewati level seperti titik-titikelektron, foton dari panjang gelombang yang diinginkan lewat, itu menyebabkan generasi simultan dari sejumlah besar gelombang cahaya dengan panjang dan fase yang sama. Artinya, elektron dalam longsoran salju semuanya secara bersamaan masuk ke keadaan dasar, menghasilkan seberkas foton monokromatik dengan daya yang cukup tinggi. Perlu dicatat bahwa masalah utama pengembang laser pertama adalah pencarian kombinasi zat yang memungkinkan populasi terbalik dari salah satu level. Paduan ruby menjadi zat kerja pertama.

Komposisi Laser

Laser solid-state tidak berbeda dari jenis lain dalam hal komponen utamanya. Badan kerja, di mana populasi terbalik dari salah satu level dilakukan, diterangi oleh beberapa sumber cahaya. Ini disebut pemompaan. Seringkali ini bisa berupa lampu pijar biasa atau tabung pelepasan gas. Dua ujung paralel dari fluida kerja (laser solid-state berarti kristal, laser gas berarti medium yang dijernihkan) membentuk sistem cermin, atau resonator optik. Ini mengumpulkan menjadi sinar hanya foton yang sejajar dengan outlet. Laser solid-state biasanya dipompa dengan lampu flash.

Jenis laser solid-state

Bergantung pada cara sinar laser keluar, laser kontinu dan laser berdenyut dibedakan. Masing-masing menemukan aplikasi dan memiliki karakteristiknya sendiri. Perbedaan utama adalah bahwa laser solid-state berdenyut memiliki kekuatan yang lebih tinggi. Karena untuk setiap tembakanfoton tampaknya "terakumulasi", maka satu pulsa mampu memberikan lebih banyak energi daripada generasi terus menerus selama periode waktu yang sama. Semakin pendek impuls berlangsung, semakin kuat setiap "tembakan". Saat ini, secara teknologi dimungkinkan untuk membuat laser femtosecond. Salah satu impulsnya berlangsung sekitar 10-15 detik. Ketergantungan ini terkait dengan fakta bahwa proses populasi kembali yang dijelaskan di atas berlangsung sangat, sangat sedikit. Semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk menunggu sebelum laser "menembak", semakin banyak elektron yang punya waktu untuk meninggalkan level terbalik. Dengan demikian, konsentrasi foton dan energi berkas keluaran berkurang.

Ukiran laser

Pola pada permukaan benda logam dan kaca menghiasi kehidupan sehari-hari seseorang. Mereka dapat diterapkan secara mekanis, kimiawi atau dengan laser. Metode terakhir adalah yang paling modern. Keuntungannya dibandingkan metode lain adalah sebagai berikut. Karena tidak ada dampak langsung pada permukaan yang akan dirawat, hampir tidak mungkin untuk merusak sesuatu dalam proses penerapan pola atau prasasti. Sinar laser membakar alur yang sangat dangkal: permukaan dengan ukiran seperti itu tetap halus, yang berarti benda itu tidak rusak dan akan bertahan lebih lama. Dalam kasus logam, sinar laser mengubah struktur zat, dan prasasti tidak akan terhapus selama bertahun-tahun. Jika suatu benda digunakan dengan hati-hati, tidak direndam dalam asam dan tidak berubah bentuk, maka selama beberapa generasi pola di atasnya pasti akan dipertahankan. Yang terbaik adalah memilih laser berdenyut solid-state untuk pengukiran karena dua alasan: proses solid-statelebih mudah dikendarai, dan optimal dalam hal tenaga dan harga.

Instalasi

Ada pengaturan khusus untuk ukiran. Selain laser itu sendiri, mereka terdiri dari panduan mekanis di mana laser bergerak, dan peralatan kontrol (komputer). Mesin laser digunakan di banyak cabang aktivitas manusia. Di atas, kami berbicara tentang mendekorasi barang-barang rumah tangga. Peralatan makan pribadi, korek api, kacamata, jam tangan akan tinggal di keluarga untuk waktu yang lama dan akan mengingatkan Anda saat-saat bahagia.

Namun, tidak hanya rumah tangga, tetapi juga barang-barang industri membutuhkan pengukiran laser. Pabrik-pabrik besar, seperti mobil, memproduksi suku cadang dalam jumlah besar: ratusan ribu atau jutaan. Setiap elemen tersebut harus ditandai - kapan dan siapa yang membuatnya. Tidak ada cara yang lebih baik daripada pengukiran laser: angka, waktu produksi, masa pakai akan bertahan lama bahkan pada bagian yang bergerak, yang meningkatkan risiko abrasi. Mesin laser dalam hal ini harus dibedakan dengan peningkatan daya, serta keamanan. Lagi pula, jika pengukiran mengubah sifat bagian logam meskipun hanya sepersekian persen, ia dapat bereaksi berbeda terhadap pengaruh eksternal. Misalnya, istirahat di tempat prasasti diterapkan. Namun, untuk keperluan rumah tangga, pemasangan yang lebih sederhana dan lebih murah cocok.