ليزر الحالة الصلبة: مبدأ التشغيل والتطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

يوضح هذا المقال ما هي مصادر الإشعاع أحادي اللون وما هي مزايا ليزر الحالة الصلبة على الأنواع الأخرى. يخبرنا كيف يحدث توليد إشعاع متماسك ، ولماذا يكون الجهاز النبضي أكثر قوة ، ولماذا هناك حاجة إلى النقش. كما يناقش العناصر الثلاثة الأساسية لليزر وكيف يعمل.

نظرية المنطقة

قبل الحديث عن كيفية عمل الليزر (الحالة الصلبة ، على سبيل المثال) ، يجب مراعاة بعض النماذج الفيزيائية. يتذكر الجميع من دروس المدرسة أن الإلكترونات توجد حول النواة الذرية في مدارات معينة ، أو مستويات طاقة. إذا لم يكن لدينا ذرة واحدة تحت تصرفنا ، بل ذرة كثيرة ، أي أننا نعتبر أي جسم حجمي ، فستظهر صعوبة واحدة.

وفقًا لمبدأ باولي ، في جسم معين بنفس الطاقة يمكن أن يكون هناك إلكترون واحد فقط. علاوة على ذلك ، حتى أصغر حبة رمل تحتوي على عدد كبير من الذرات. في هذه الحالة ، وجدت الطبيعة مخرجًا أنيقًا للغاية - طاقة كل منهايختلف الإلكترون عن طاقة الجار بمقدار صغير جدًا لا يمكن تمييزه تقريبًا. في هذه الحالة ، يتم "ضغط" جميع الإلكترونات من نفس المستوى في نطاق طاقة واحد. المنطقة التي توجد فيها الإلكترونات الأبعد عن النواة تسمى منطقة التكافؤ. المنطقة التي تليها لديها طاقة أعلى. فيه تتحرك الإلكترونات بحرية ويسمى نطاق التوصيل.

الانبعاث والامتصاص

أي ليزر (حالة صلبة ، غاز ، كيميائي) يعمل على مبادئ انتقال الإلكترون من منطقة إلى أخرى. إذا سقط الضوء على الجسم ، فإن الفوتون يمنح الإلكترون قوة كافية لوضعه في حالة طاقة أعلى. والعكس صحيح: عندما يمر إلكترون من شريط التوصيل إلى نطاق التكافؤ ، فإنه يصدر فوتونًا واحدًا. إذا كانت المادة عبارة عن شبه موصل أو عازل للكهرباء ، يتم فصل نطاقي التكافؤ والتوصيل بفاصل لا يوجد فيه مستوى واحد. وفقًا لذلك ، لا يمكن أن تكون الإلكترونات موجودة. هذا الفاصل يسمى فجوة النطاق. إذا كان للفوتون طاقة كافية ، فإن الإلكترونات تقفز فوق هذه الفترة.

جيل

يعتمد مبدأ تشغيل ليزر الحالة الصلبة على حقيقة أن ما يسمى بالمستوى العكسي يتم إنشاؤه في فجوة النطاق للمادة. عمر الإلكترون عند هذا المستوى أطول من الوقت الذي يقضيه في نطاق التوصيل. وهكذا ، في فترة زمنية معينة ، "تتراكم" الإلكترونات عليها. وهذا ما يسمى السكان العكسي. عندما تجاوز هذا المستوى منقطالإلكترونات ، يمر فوتون من الطول الموجي المطلوب ، ويسبب التوليد المتزامن لعدد كبير من موجات الضوء من نفس الطول والمرحلة. أي أن الإلكترونات في الانهيار الجليدي تمر جميعها في نفس الوقت إلى الحالة الأرضية ، وتولد شعاعًا من الفوتونات أحادية اللون ذات قدرة عالية بما فيه الكفاية. وتجدر الإشارة إلى أن المشكلة الرئيسية لمطوري الليزر الأول كانت البحث عن مثل هذا المزيج من المواد التي يمكن أن يكون من الممكن أن يكون هناك مجتمع عكسي لأحد المستويات. أصبح الياقوت المخلوط أول مادة تعمل.

تكوين الليزر

لا يختلف ليزر الحالة الصلبة عن الأنواع الأخرى من حيث مكوناته الرئيسية. جسم العمل ، الذي يتم فيه تنفيذ التعداد السكاني العكسي لأحد المستويات ، يُضاء بواسطة بعض مصادر الضوء. إنه يسمى الضخ. غالبًا ما يكون هذا المصباح المتوهج العادي أو أنبوب تفريغ الغاز. طرفان متوازيان من سائل العمل (ليزر الحالة الصلبة يعني بلورة ، الليزر الغازي يعني وسيطًا متخلخلًا) يشكلان نظامًا من المرايا ، أو مرنانًا ضوئيًا. إنه يتجمع في شعاع تلك الفوتونات التي تتوازى مع المخرج فقط. عادة ما يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة بمصابيح فلاش.

أنواع ليزر الحالة الصلبة

اعتمادًا على طريقة خروج شعاع الليزر ، يتم تمييز الليزر المستمر والنبضي. كل واحد منهم يجد التطبيق وله خصائصه الخاصة. والفرق الرئيسي هو أن ليزر الحالة الصلبة النبضي يتمتع بقوة أعلى. لأن لكل طلقةيبدو أن الفوتونات "تتراكم" ، فإن نبضة واحدة قادرة على توفير طاقة أكثر من التوليد المستمر خلال فترة زمنية مماثلة. كلما استمر الدافع أقصر ، زادت قوة كل "طلقة". في الوقت الحالي ، من الممكن تقنيًا بناء ليزر فيمتوثانية. تدوم إحدى نبضاتها حوالي 10-15ثوانٍ. يرتبط هذا الاعتماد بحقيقة أن عمليات عودة السكان الموصوفة أعلاه تستمر قليلاً جدًا. وكلما طال الانتظار قبل أن "ينطلق" الليزر ، زاد الوقت المتاح للإلكترونات لمغادرة المستوى العكسي. وفقًا لذلك ، يتم تقليل تركيز الفوتونات وطاقة الحزمة الناتجة.

النقش بالليزر

أنماط على سطح الأشياء المعدنية والزجاجية تزين الحياة اليومية للإنسان. يمكن تطبيقها ميكانيكياً أو كيميائياً أو بالليزر. الطريقة الأخيرة هي الأحدث. مزاياها على الطرق الأخرى كما يلي. نظرًا لعدم وجود تأثير مباشر على السطح المراد معالجته ، يكاد يكون من المستحيل إتلاف أي شيء أثناء تطبيق نمط أو نقش. يحترق شعاع الليزر أخاديدًا ضحلة جدًا: يظل السطح بهذا النقش أملسًا ، مما يعني أن الشيء غير تالف وسيستمر لفترة أطول. في حالة المعدن ، يغير شعاع الليزر بنية المادة ذاتها ، ولن يُمحى النقش لسنوات عديدة. إذا تم استخدام شيء ما بعناية ، وليس مغمورًا في الحمض وغير مشوه ، فسيتم بالتأكيد الحفاظ على النمط الموجود عليه لعدة أجيال. من الأفضل اختيار ليزر نبضي صلب للحفر لسببين: عمليات الحالة الصلبةأسهل في القيادة ، وهو الأمثل من حيث القوة والسعر.

التثبيت

هناك إعدادات خاصة للنقش. بالإضافة إلى الليزر نفسه ، فهي تتكون من أدلة ميكانيكية يتحرك على طولها الليزر ، ومعدات تحكم (كمبيوتر). تستخدم آلة الليزر في العديد من فروع النشاط البشري. أعلاه ، تحدثنا عن تزيين الأدوات المنزلية. أدوات المائدة والولاعات والنظارات والساعات ستبقى في العائلة لفترة طويلة وستذكرك باللحظات السعيدة.

ومع ذلك ، ليس فقط السلع المنزلية ، ولكن أيضًا السلع الصناعية تحتاج إلى النقش بالليزر. تنتج المصانع الكبيرة ، مثل السيارات ، أجزاءً بكميات ضخمة: مئات الآلاف أو الملايين. يجب وضع علامة على كل عنصر من هذا القبيل - متى ومن قام بإنشائه. لا توجد طريقة أفضل من النقش بالليزر: ستظل الأرقام ووقت الإنتاج وعمر الخدمة لفترة طويلة حتى على الأجزاء المتحركة ، حيث يوجد خطر متزايد للتآكل. يجب أن تتميز آلة الليزر في هذه الحالة بالقوة المتزايدة ، فضلاً عن السلامة. بعد كل شيء ، إذا غيّر النقش خاصية الجزء المعدني حتى بجزء بسيط من النسبة المئوية ، فقد يتفاعل بشكل مختلف مع التأثيرات الخارجية. على سبيل المثال ، استراحة في المكان الذي يتم فيه تطبيق النقش. ومع ذلك ، للاستخدام المنزلي ، تركيب أبسط وأرخص مناسب.