Laser allo stato solido: principio di funzionamento, applicazione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Questo articolo mostra quali sono le sorgenti di radiazione monocromatica e quali vantaggi ha un laser a stato solido rispetto ad altri tipi. Racconta come avviene la generazione di radiazioni coerenti, perché il dispositivo pulsato è più potente, perché è necessaria l'incisione. Discute anche dei tre elementi essenziali di un laser e di come funziona.

Teoria delle zone

Prima di parlare di come funziona un laser (a stato solido, per esempio), è opportuno considerare alcuni modelli fisici. Tutti ricordano dalle lezioni scolastiche che gli elettroni si trovano attorno al nucleo atomico in determinate orbite o livelli di energia. Se abbiamo a nostra disposizione non un atomo, ma molti, cioè consideriamo qualsiasi corpo volumetrico, allora sorge una difficoltà.

Secondo il principio di Pauli, in un dato corpo con la stessa energia può esserci un solo elettrone. Inoltre, anche il più piccolo granello di sabbia contiene un numero enorme di atomi. In questo caso, la natura ha trovato una via d'uscita molto elegante: l'energia di ciascunol'elettrone differisce dall'energia del vicino di una quantità molto piccola, quasi indistinguibile. In questo caso, tutti gli elettroni dello stesso livello vengono "compressi" in una banda di energia. La zona in cui si trovano gli elettroni più distanti dal nucleo è chiamata zona di valenza. La zona che la segue ha un'energia maggiore. In esso, gli elettroni si muovono liberamente ed è chiamata banda di conduzione.

Emissione e assorbimento

Qualsiasi laser (a stato solido, gas, chimico) funziona secondo i principi della transizione degli elettroni da una zona all' altra. Se la luce cade sul corpo, il fotone fornisce all'elettrone una forza sufficiente per metterlo in uno stato energetico più elevato. E viceversa: quando un elettrone passa dalla banda di conduzione alla banda di valenza, emette un fotone. Se la sostanza è un semiconduttore o un dielettrico, le bande di valenza e di conduzione sono separate da un intervallo in cui non esiste un unico livello. Di conseguenza, gli elettroni non possono essere lì. Questo intervallo è chiamato gap di banda. Se il fotone ha energia sufficiente, gli elettroni s altano su questo intervallo.

Generazione

Il principio di funzionamento di un laser a stato solido si basa sul fatto che nel gap di banda di una sostanza si crea un cosiddetto livello inverso. La vita di un elettrone a questo livello è più lunga del tempo che trascorre nella banda di conduzione. Quindi, in un certo periodo di tempo, è su di esso che gli elettroni "si accumulano". Questa è chiamata popolazione inversa. Quando passato un tale livello punteggiatoelettroni, passa un fotone della lunghezza d'onda desiderata, provoca la generazione simultanea di un gran numero di onde luminose della stessa lunghezza e fase. Cioè, gli elettroni in una valanga passano tutti simultaneamente nello stato fondamentale, generando un fascio di fotoni monocromatici di potenza sufficientemente elevata. Va notato che il problema principale degli sviluppatori del primo laser era la ricerca di una tale combinazione di sostanze per le quali sarebbe stata possibile una popolazione inversa di uno dei livelli. Il rubino legato divenne la prima sostanza funzionante.

Composizione laser

Il laser a stato solido non differisce dagli altri tipi in termini di componenti principali. Il corpo di lavoro, in cui si effettua il popolamento inverso di uno dei livelli, è illuminato da qualche sorgente luminosa. Si chiama pompaggio. Spesso può essere una normale lampada a incandescenza o un tubo a scarica di gas. Due estremità parallele del fluido di lavoro (un laser a stato solido significa un cristallo, un laser a gas significa un mezzo rarefatto) formano un sistema di specchi o un risonatore ottico. Raccoglie in un raggio solo quei fotoni che vanno paralleli all'uscita. I laser a stato solido vengono solitamente pompati con lampade flash.

Tipi di laser a stato solido

A seconda del modo in cui esce il raggio laser, si distinguono laser continui e laser pulsati. Ognuno di loro trova applicazione e ha le sue caratteristiche. La differenza principale è che i laser a stato solido pulsati hanno una potenza maggiore. Perché per ogni scattoi fotoni sembrano "accumularsi", quindi un impulso è in grado di fornire più energia della generazione continua in un periodo di tempo simile. Più breve dura l'impulso, più potente è ogni "colpo". Al momento, è tecnologicamente possibile costruire un laser a femtosecondi. Uno dei suoi impulsi dura circa 10-15 secondi. Questa dipendenza è connessa al fatto che i processi di ripopolamento sopra descritti durano molto, molto poco. Più tempo ci vuole per aspettare prima che il laser "scatti", più elettroni hanno il tempo di lasciare il livello inverso. Di conseguenza, la concentrazione di fotoni e l'energia del raggio di uscita vengono ridotte.

Incisione laser

I motivi sulla superficie di oggetti in metallo e vetro adornano la vita quotidiana di una persona. Possono essere applicati meccanicamente, chimicamente o con un laser. L'ultimo metodo è il più moderno. I suoi vantaggi rispetto ad altri metodi sono i seguenti. Poiché non vi è alcun impatto diretto sulla superficie da trattare, è quasi impossibile danneggiare qualcosa nel processo di applicazione di un motivo o di un'iscrizione. Il raggio laser brucia solchi molto poco profondi: la superficie con tale incisione rimane liscia, il che significa che la cosa non viene danneggiata e durerà più a lungo. Nel caso del metallo, il raggio laser cambia la struttura stessa della sostanza e l'iscrizione non verrà cancellata per molti anni. Se una cosa viene usata con cura, non immersa nell'acido e non deformata, per diverse generazioni lo schema su di esso verrà sicuramente preservato. È meglio scegliere un laser pulsato a stato solido per l'incisione per due motivi: processi a stato solidopiù facile da guidare ed è ottimale in termini di potenza e prezzo.

Installazione

Ci sono impostazioni speciali per l'incisione. Oltre al laser stesso, sono costituiti da guide meccaniche lungo le quali si muove il laser e apparecchiature di controllo (computer). La macchina laser è utilizzata in molti rami dell'attività umana. Sopra, abbiamo parlato di decorare oggetti per la casa. Posate personali, accendini, bicchieri, orologi rimarranno a lungo in famiglia e ti ricorderanno momenti felici.

Tuttavia, non solo i prodotti per la casa, ma anche i beni industriali necessitano dell'incisione laser. Le grandi fabbriche, come le automobili, producono parti in quantità enormi: centinaia di migliaia o milioni. Ciascuno di questi elementi dovrebbe essere contrassegnato: quando e chi lo ha creato. Non c'è modo migliore dell'incisione laser: numeri, tempi di produzione, durata rimarranno a lungo anche sulle parti in movimento, per le quali esiste un rischio maggiore di abrasione. La macchina laser in questo caso dovrebbe essere caratterizzata da una maggiore potenza e sicurezza. Dopotutto, se l'incisione modifica le proprietà di una parte metallica anche di una frazione di punto percentuale, potrebbe reagire in modo diverso alle influenze esterne. Ad esempio, interrompi nel punto in cui viene applicata l'iscrizione. Tuttavia, per l'uso domestico, è adatta un'installazione più semplice ed economica.