Pevný laser: princip činnosti, použití

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Tento článek ukazuje, jaké jsou zdroje monochromatického záření a jaké výhody má pevnolátkový laser oproti jiným typům. Říká, jak dochází ke generování koherentního záření, proč je pulzní zařízení výkonnější, proč je potřeba gravírování. Pojednává také o třech základních prvcích laseru a o tom, jak funguje.

Teorie zón

Než budeme mluvit o tom, jak funguje laser (například v pevné fázi), měli bychom zvážit některé fyzikální modely. Každý si ze školních hodin pamatuje, že elektrony se nacházejí kolem atomového jádra na určitých drahách neboli energetických hladinách. Pokud máme k dispozici ne jeden atom, ale mnoho, to znamená, že uvažujeme jakékoli objemové těleso, pak nastává jedna potíž.

Podle Pauliho principu může být v daném tělese se stejnou energií pouze jeden elektron. Navíc i to nejmenší zrnko písku obsahuje obrovské množství atomů. V tomto případě příroda našla velmi elegantní cestu ven – energii každéhoelektron se liší od energie sousedního velmi malým, téměř nerozeznatelným množstvím. V tomto případě jsou všechny elektrony stejné úrovně „stlačeny“do jednoho energetického pásma. Zóna, ve které se nacházejí elektrony nejvzdálenější od jádra, se nazývá valenční zóna. Zóna za ním má vyšší energii. V něm se elektrony volně pohybují a nazývá se to vodivostní pásmo.

Emise a absorpce

Jakýkoli laser (pevnolátkový, plynový, chemický) funguje na principu přechodu elektronů z jedné zóny do druhé. Pokud na tělo dopadá světlo, pak foton dává elektronu dostatečnou sílu, aby jej uvedl do vyššího energetického stavu. A naopak: když elektron přejde z vodivostního pásma do valenčního, vyzáří jeden foton. Pokud je látkou polovodič nebo dielektrikum, jsou valenční a vodivostní pásy odděleny intervalem, ve kterém není jediná hladina. V souladu s tím tam elektrony být nemohou. Tento interval se nazývá pásmová mezera. Pokud má foton dostatečnou energii, elektrony přes tento interval přeskakují.

Generace

Princip činnosti pevnolátkového laseru je založen na tom, že v zakázaném pásmu látky vzniká tzv. inverzní hladina. Životnost elektronu na této úrovni je delší než doba, kterou stráví ve vodivém pásmu. V určitém časovém období se tedy elektrony „hromadí“. Tomu se říká inverzní populace. Při překročení takové úrovně tečkovanýelektronů projde foton požadované vlnové délky, způsobí současné generování velkého množství světelných vln stejné délky a fáze. To znamená, že elektrony v lavině všechny současně přecházejí do základního stavu a vytvářejí paprsek monochromatických fotonů dostatečně vysoké síly. Nutno podotknout, že hlavním problémem vývojářů prvního laseru bylo hledání takové kombinace látek, pro kterou by byla možná inverzní populace jedné z úrovní. Legovaný rubín se stal první pracovní látkou.

Složení laseru

Pevný laser se svými hlavními součástmi neliší od ostatních typů. Pracovní těleso, ve kterém se provádí inverzní osídlení jedné z úrovní, je osvětleno nějakým světelným zdrojem. Říká se tomu pumpování. Často to může být obyčejná žárovka nebo plynová výbojka. Dva paralelní konce pracovní tekutiny (pevnolátkový laser znamená krystal, plynový laser zředěné médium) tvoří soustavu zrcadel, neboli optický rezonátor. Shromažďuje do paprsku pouze ty fotony, které jdou rovnoběžně s výstupem. Pevné lasery jsou obvykle napumpovány bleskovými lampami.

Typy pevnolátkových laserů

Podle způsobu výstupu laserového paprsku se rozlišují kontinuální a pulzní lasery. Každý z nich najde uplatnění a má své vlastní vlastnosti. Hlavním rozdílem je, že pulzní pevnolátkové lasery mají vyšší výkon. Protože za každý výstřelzdá se, že se fotony „hromadí“, pak je jeden puls schopen dodat více energie než nepřetržitá generace za podobnou dobu. Čím kratší impuls trvá, tím je každý „výstřel“silnější. V tuto chvíli je technologicky možné postavit femtosekundový laser. Jeden z jeho impulsů trvá asi 10-15 sekund. Tato závislost souvisí se skutečností, že výše popsané procesy zpětného osídlení trvají velmi, velmi málo. Čím déle trvá čekání, než laser „vystřelí“, tím více elektronů stihne opustit inverzní hladinu. V souladu s tím se sníží koncentrace fotonů a energie výstupního paprsku.

Laserové gravírování

Vzory na povrchu kovových a skleněných věcí zdobí každodenní život člověka. Lze je aplikovat mechanicky, chemicky nebo laserem. Poslední metoda je nejmodernější. Jeho výhody oproti jiným metodám jsou následující. Protože nedochází k přímému dopadu na povrch, který má být ošetřen, je téměř nemožné poškodit věc v procesu nanášení vzoru nebo nápisu. Laserový paprsek vypálí velmi mělké drážky: povrch s takovým rytím zůstává hladký, což znamená, že se věc nepoškodí a vydrží déle. V případě kovu laserový paprsek změní samotnou strukturu látky a nápis se nesmaže po mnoho let. Pokud je věc používána opatrně, není ponořena do kyseliny a nedeformována, pak bude vzor na ní určitě zachován po několik generací. Pro gravírování je nejlepší zvolit pevnolátkový pulzní laser ze dvou důvodů: pevnolátkové procesysnadněji se řídí a je optimální z hlediska výkonu a ceny.

Instalace

Existují speciální nastavení pro gravírování. Kromě samotného laseru se skládají z mechanických vodítek, po kterých se laser pohybuje, a řídicího zařízení (počítače). Laserový stroj se používá v mnoha odvětvích lidské činnosti. Výše jsme mluvili o zdobení domácích potřeb. Osobní příbory, zapalovače, brýle, hodinky zůstanou v rodině na dlouhou dobu a budou vám připomínat šťastné chvíle.

Avšak nejen zboží pro domácnost, ale i průmyslové zboží potřebuje laserové gravírování. Velké továrny, jako jsou automobily, vyrábějí díly v obrovském množství: statisíce nebo miliony. Každý takový prvek by měl být označen – kdy a kdo jej vytvořil. Neexistuje lepší způsob než laserové gravírování: čísla, doba výroby, životnost zůstanou dlouho i na pohyblivých dílech, u kterých hrozí zvýšené riziko oděru. Laserový stroj by se v tomto případě měl vyznačovat zvýšeným výkonem a bezpečností. Pokud totiž rytina změní vlastnosti kovové součásti byť jen o zlomek procenta, může na vnější vlivy reagovat jinak. Například zlom v místě, kde je nápis aplikován. Pro domácí použití je však vhodná jednodušší a levnější instalace.