Làser d'estat sòlid: principi de funcionament, aplicació

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Aquest article mostra quines són les fonts de radiació monocromàtica i quins avantatges té un làser d'estat sòlid respecte d' altres tipus. Explica com es produeix la generació de radiació coherent, per què el dispositiu polsat és més potent, per què cal gravar. També analitza els tres elements essencials d'un làser i com funciona.

Teoria de zones

Abans de parlar de com funciona un làser (d'estat sòlid, per exemple), cal tenir en compte alguns models físics. Tothom recorda de les classes escolars que els electrons es troben al voltant del nucli atòmic en determinades òrbites, o nivells d'energia. Si no tenim a la nostra disposició un àtom, sinó molts, és a dir, considerem qualsevol cos volumètric, sorgeix una dificultat.

Segons el principi de Pauli, en un cos donat amb la mateixa energia només hi pot haver un electró. A més, fins i tot el gra de sorra més petit conté un gran nombre d'àtoms. En aquest cas, la natura ha trobat una sortida molt elegant: l'energia de cadascunl'electró difereix de l'energia del veí en una quantitat molt petita, gairebé indistinguible. En aquest cas, tots els electrons del mateix nivell estan "comprimits" en una banda d'energia. La zona on es troben els electrons més allunyats del nucli s'anomena zona de valència. La zona que la segueix té una energia més alta. En ell, els electrons es mouen lliurement i s'anomena banda de conducció.

Emissió i absorció

Qualsevol làser (d'estat sòlid, gasós, químic) funciona segons els principis de la transició d'electrons d'una zona a una altra. Si la llum cau sobre el cos, aleshores el fotó dóna a l'electró la força suficient per posar-lo en un estat d'energia més alt. I viceversa: quan un electró passa de la banda de conducció a la banda de valència, emet un fotó. Si la substància és un semiconductor o dielèctric, les bandes de valència i conducció estan separades per un interval en el qual no hi ha un sol nivell. En conseqüència, els electrons no poden ser-hi. Aquest interval s'anomena band gap. Si el fotó té prou energia, aleshores els electrons s alten per sobre d'aquest interval.

Generació

El principi de funcionament d'un làser d'estat sòlid es basa en el fet que es crea un nivell invers a la banda intercalada d'una substància. La vida útil d'un electró a aquest nivell és més llarga que el temps que passa a la banda de conducció. Així, en un període de temps determinat, és sobre ell on "s'acumulen" els electrons. Això s'anomena població inversa. Quan superat aquest nivell puntejatelectrons, passa un fotó de la longitud d'ona desitjada, provoca la generació simultània d'un gran nombre d'ones lluminoses de la mateixa longitud i fase. És a dir, els electrons d'una allau passen tots simultàniament a l'estat fonamental, generant un feix de fotons monocromàtics d'una potència prou alta. Cal assenyalar que el principal problema dels desenvolupadors del primer làser va ser la recerca d'aquesta combinació de substàncies per a la qual seria possible una població inversa d'un dels nivells. El robí aliat es va convertir en la primera substància de treball.

Composició làser

El làser d'estat sòlid no difereix dels altres tipus pel que fa als seus components principals. El cos de treball, en el qual es realitza la població inversa d'un dels nivells, està il·luminat per alguna font de llum. Es diu bombeig. Sovint pot ser una làmpada incandescent normal o un tub de descàrrega de gas. Dos extrems paral·lels del fluid de treball (un làser d'estat sòlid significa un cristall, un làser de gas significa un medi rarificat) formen un sistema de miralls o un ressonador òptic. Recull en un feix només aquells fotons que van paral·lels a la sortida. Els làsers d'estat sòlid solen ser bombejats amb llums de flaix.

Tipus de làsers d'estat sòlid

Depenent de la forma de sortida del raig làser, es distingeixen els làsers continus i polsats. Cadascun d'ells troba aplicació i té les seves pròpies característiques. La principal diferència és que els làsers d'estat sòlid polsats tenen una potència més gran. Perquè per cada copels fotons semblen "acumular-se", aleshores un pols és capaç de lliurar més energia que la generació contínua durant un període de temps similar. Com més curt duri l'impuls, més potent és cada "tret". De moment, tecnològicament és possible construir un làser de femtosegon. Un dels seus impulsos dura uns 10-15 segons. Aquesta dependència està relacionada amb el fet que els processos de retropoblació descrits anteriorment duren molt i molt poc. Com més temps es triga a esperar abans que el làser "dispara", més electrons tenen temps per sortir del nivell invers. En conseqüència, la concentració de fotons i l'energia del feix de sortida es redueixen.

Gravat làser

Els patrons a la superfície de les coses de metall i vidre adornen la vida quotidiana d'una persona. Es poden aplicar mecànicament, químicament o amb làser. L'últim mètode és el més modern. Els seus avantatges respecte a altres mètodes són els següents. Com que no hi ha impacte directe a la superfície a tractar, és gairebé impossible danyar una cosa en el procés d'aplicar un patró o una inscripció. El raig làser crema solcs molt poc profunds: la superfície amb aquest gravat es manté llisa, el que significa que la cosa no està danyada i durarà més temps. En el cas del metall, el raig làser canvia l'estructura mateixa de la substància i la inscripció no s'esborrarà durant molts anys. Si una cosa s'utilitza amb cura, no submergida en àcid i sense deformar-se, el patró es conservarà definitivament durant diverses generacions. El millor és triar un làser polsat d'estat sòlid per gravar per dos motius: processos d'estat sòlidmés fàcil de conduir i és òptim en termes de potència i preu.

Instal·lació

Hi ha configuracions especials per al gravat. A més del propi làser, consten de guies mecàniques al llarg de les quals es mou el làser, i equips de control (ordinador). La màquina làser s'utilitza en moltes branques de l'activitat humana. Més amunt, hem parlat de la decoració dels articles de la llar. Els coberts personals, encenedors, gots i rellotges romandran a la família durant molt de temps i et recordaran moments feliços.

No obstant això, no només els productes domèstics, sinó també industrials necessiten gravat làser. Les grans fàbriques, com els automòbils, produeixen peces en grans quantitats: centenars de milers o milions. Cada element s'ha de marcar: quan i qui el va crear. No hi ha millor manera que el gravat làser: els números, el temps de producció, la vida útil es mantindran durant molt de temps fins i tot a les peces mòbils, per a les quals hi ha un major risc d'abrasió. La màquina làser en aquest cas s'ha de distingir per una potència més gran, així com per la seguretat. Després de tot, si el gravat canvia la propietat d'una peça metàl·lica fins i tot en una fracció d'un percentatge, pot reaccionar de manera diferent a les influències externes. Per exemple, trencar al lloc on s'aplica la inscripció. Tanmateix, per a ús domèstic, és adequada una instal·lació més senzilla i econòmica.