Данная статья показывает, какие бывают источники монохроматического излучения и какие преимущества имеет лазер твердотельный перед другими видами. Здесь рассказано, каким образом происходит генерация когерентного излучения, почему импульсное устройство мощнее, для чего нужна гравировка. Также здесь рассматриваются три обязательных элемента лазера и принцип его работы.
Зонная теория
Прежде чем говорить о том, как работает лазер (твердотельный, например), следует рассмотреть некоторые физические модели. Из школьных уроков каждый помнит, что электроны расположены вокруг атомного ядра на определенных орбитах, или уровнях энергии. Если в нашем распоряжении не один атом, а много, то есть мы рассматриваем любое объемное тело, то возникает одна сложность.
Согласно принципу Паули, в данном теле с одной и той же энергией может быть только один электрон. При этом даже мельчайшая песчинка содержит огромное количество атомов. Природа в данном случае нашла весьма изящный выход – энергия каждого электрона отличается от энергии соседнего на очень маленькую, почти неразличимую величину. При этом все электроны одного уровня «спрессовываются» в одну энергетическую зону. Зона, в которой находятся наиболее далекие от ядра электроны, называется валентной. Следующая за ней зона имеет более высокую энергию. В ней электроны передвигаются свободно, и она называется зоной проводимости.
Испускание и поглощение
Любой лазер (твердотельный, газовый, химический) работает на принципах перехода электрона из одной зоны в другую. Если на тело падает свет, то фотон придает электрону достаточно сил, чтобы он оказался в более высоком энергетическом состоянии. И наоборот: когда электрон переходит из зоны проводимости в валентную, то он испускает один фотон. Если вещество является полупроводником или диэлектриком, зоны валентная и проводимости разделены интервалом, в котором нет ни одного уровня. Соответственно, электроны находиться там не могут. Этот интервал называется запрещенной зоной. Если фотон имеет достаточную энергию, то электроны преодолевают этот интервал скачком.
Генерация
Принцип работы твердотельного лазера строится на том, что в запрещенной зоне вещества создается так называемый инверсный уровень. Время жизни электрона на этом уровне выше, чем время его нахождения в зоне проводимости. Таким образом, в определенный промежуток времени именно на нем «скапливаются» электроны. Это называется инверсной заселенностью. Когда мимо такого уровня, усеянного электронами, проходит фотон нужной длины волны, он вызывает одновременную генерацию большого количества одинаковых по длине и фазе световых волн. То есть электроны лавиной все одновременно переходят в основное состояние, порождая пучок монохроматических фотонов достаточно большой мощности. Стоит отметить, что основной проблемой разработчиков первого лазера был поиск такого сочетания веществ, для которого была бы возможна инверсная заселенность одного из уровней. Первым рабочим веществом стал легированный рубин.
Состав лазера
Лазер твердотельный по основным компонентам не отличается от остальных видов. Рабочее тело, в котором осуществляется инверсная заселенность одного из уровней, освещается каким-либо источником света. Он называется накачкой. Часто это может быть обычная лампа накаливания или газоразрядная трубка. Два параллельно идущих торца рабочего тела (лазер твердотельный подразумевает кристалл, газовый – разреженную среду) образуют систему зеркал, или оптический резонатор. Он собирает в пучок только те фотоны, которые идут параллельно выходному отверстию. Накачка твердотельных лазеров обычно происходит с помощью импульсных ламп.
Виды твердотельных лазеров
В зависимости от способа выхода лазерного пучка различают лазеры непрерывного действия и импульсные. Каждый из них находит применение и имеет свои особенности. Главное отличие - импульсные твердотельные лазеры обладают более высокой мощностью. Так как для каждого выстрела фотоны как бы «копятся», то один импульс способен выдать большую энергию, чем непрерывная генерация за аналогичный период времени. Чем меньше длится импульс, тем мощнее каждый «выстрел». На данный момент технологически возможно построить фемтосекундный лазер. Один его импульс длится порядка 10-15 секунды. Связана такая зависимость с тем, что описанные выше процессы обратной заселенности длятся очень и очень мало. Чем дольше требуется ждать перед тем, как лазер «выстрелит», тем больше электронов успеет покинуть инверсный уровень. Соответственно, снижается концентрация фотонов и энергия выходного пучка.
Гравировка лазером
Узоры на поверхности металлических и стеклянных вещей украшают повседневную жизнь человека. Их можно нанести механически, химически или с помощью лазера. Последний способ наиболее современный. Его преимущества перед другими методами следующие. Так как непосредственного воздействия на обрабатываемую поверхность нет, то почти невозможно повредить вещь в процессе нанесения узора или надписи. Лазерный луч выжигает очень неглубокие канавки: поверхность с такой гравировкой остается гладкой, а значит, вещь не повреждается и прослужит дольше. В случае с металлом лазерный луч изменяет саму структуру вещества, и надпись не сотрется много лет. Если вещью пользоваться аккуратно, не погружать её в кислоту и не деформировать, то на несколько поколений узор на ней точно сохранится. Лазер для гравировки лучше всего выбирать твердотельный импульсный по двум причинам: процессами в твердом теле проще управлять, и он оптимален по соотношению мощности и цены.
Установка
Для гравировки существуют специальные установки. Помимо непосредственно лазера, они состоят из механических направляющих, по которым лазер движется, и контролирующего оборудования (компьютера). Лазерный станок применяется во многих отраслях человеческой деятельности. Выше мы говорили об украшении бытовых предметов. Именные столовые приборы, зажигалки, бокалы, часы надолго останутся в семье и будут напоминать о счастливых моментах.
Однако не только бытовые, но и промышленные товары нуждаются в лазерной гравировке. Большие заводы, например автомобильные, выпускают детали огромными тиражами: сотнями тысяч или миллионами. Каждый такой элемент должен быть помечен – когда и кто его создал. Лучшего способа, чем лазерная гравировка, не найти: номера, время выпуска, срок службы надолго останутся даже на движущихся деталях, для которых повышен риск истирания. Лазерный станок в данном случае должен отличаться повышенной мощностью, а также безопасностью. Ведь если гравировка хоть на доли процентов изменит свойство металлической детали, она может иначе реагировать на внешнее воздействие. Например, ломаться в месте нанесения надписи. Однако для бытового применения подходит более простая и дешевая установка.
