Festkörperlaser: Wirkungsweise, Anwendung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Dieser Artikel zeigt, was die Quellen monochromatischer Strahlung sind und welche Vorteile ein Festkörperlaser gegenüber anderen Typen hat. Es erklärt, wie die Erzeugung kohärenter Strahlung erfolgt, warum das gepulste Gerät leistungsstärker ist, warum eine Gravur erforderlich ist. Außerdem werden die drei wesentlichen Elemente eines Lasers und seine Funktionsweise erläutert.

Zonentheorie

Bevor wir darüber sprechen, wie ein Laser (beispielsweise ein Festkörperlaser) funktioniert, sollten einige physikalische Modelle in Betracht gezogen werden. Jeder erinnert sich aus dem Schulunterricht daran, dass sich Elektronen auf bestimmten Bahnen, also Energieniveaus, um den Atomkern befinden. Wenn wir nicht ein Atom zur Verfügung haben, sondern viele, das heißt, wir betrachten irgendeinen volumetrischen Körper, dann ergibt sich eine Schwierigkeit.

Nach dem Pauli-Prinzip kann es in einem Körper mit gleicher Energie nur ein Elektron geben. Außerdem enthält selbst das kleinste Sandkorn eine riesige Anzahl von Atomen. In diesem Fall hat die Natur einen sehr eleganten Ausweg gefunden - die Energie eines jedenElektron unterscheidet sich von der Energie des benachbarten um einen sehr kleinen, fast nicht zu unterscheidenden Betrag. Dabei werden alle Elektronen des gleichen Niveaus in ein Energieband "komprimiert". Die Zone, in der sich die am weitesten vom Kern entfernten Elektronen befinden, wird als Valenzzone bezeichnet. Die darauffolgende Zone hat eine höhere Energie. Darin bewegen sich Elektronen frei, und es wird Leitungsband genannt.

Emission und Absorption

Jeder Laser (Festkörper-, Gas-, chemischer) arbeitet nach den Prinzipien des Elektronenübergangs von einer Zone zur anderen. Fällt Licht auf den Körper, dann gibt das Photon dem Elektron genug Kraft, um es in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Und umgekehrt: Beim Übergang eines Elektrons vom Leitungsband ins Valenzband sendet es ein Photon aus. Wenn die Substanz ein Halbleiter oder ein Dielektrikum ist, sind die Valenz- und Leitungsbänder durch ein Intervall getrennt, in dem es kein einzelnes Niveau gibt. Dementsprechend können dort keine Elektronen sein. Dieses Intervall wird als Bandlücke bezeichnet. Hat das Photon genügend Energie, dann überspringen die Elektronen dieses Intervall.

Generation

Das Funktionsprinzip eines Festkörperlasers beruht darauf, dass in der Bandlücke einer Substanz eine sogenannte inverse Ebene erzeugt wird. Die Lebensdauer eines Elektrons auf diesem Niveau ist länger als die Zeit, die es im Leitungsband verbringt. In einer bestimmten Zeit „sammeln“sich also Elektronen darauf. Dies wird als inverse Population bezeichnet. Wenn vorbei an einem solchen Niveau gepunktetElektronen ein Photon der gewünschten Wellenlänge passiert, bewirkt dies die gleichzeitige Erzeugung einer großen Anzahl von Lichtwellen gleicher Länge und Phase. Das heißt, die Elektronen in einer Lawine gehen alle gleichzeitig in den Grundzustand über und erzeugen einen Strahl monochromatischer Photonen mit ausreichend hoher Leistung. Es sei darauf hingewiesen, dass das Hauptproblem der Entwickler des ersten Lasers die Suche nach einer solchen Kombination von Substanzen war, für die eine inverse Besetzung einer der Ebenen möglich wäre. Der legierte Rubin wurde zum ersten Arbeitsstoff.

Laserkomposition

Der Festkörperlaser unterscheidet sich in seinen Hauptkomponenten nicht von anderen Typen. Der Arbeitskörper, in dem die umgekehrte Besetzung einer der Ebenen durchgeführt wird, wird von einer Lichtquelle beleuchtet. Das nennt man Pumpen. Oft kann dies eine gewöhnliche Glühlampe oder eine Gasentladungsröhre sein. Zwei parallele Enden der Arbeitsflüssigkeit (ein Festkörperlaser bedeutet ein Kristall, ein Gaslaser bedeutet ein verdünntes Medium) bilden ein Spiegelsystem oder einen optischen Resonator. Es sammelt nur die Photonen in einem Strahl, die parallel zum Auslass gehen. Festkörperlaser werden üblicherweise mit Blitzlampen gepumpt.

Arten von Festkörperlasern

Je nach Art des Laserstrahlaustritts unterscheidet man Dauer- und Pulslaser. Jeder von ihnen findet Anwendung und hat seine eigenen Eigenschaften. Der Hauptunterschied besteht darin, dass gepulste Festkörperlaser eine höhere Leistung haben. Denn für jeden SchussPhotonen scheinen sich zu „akkumulieren“, dann kann ein Puls mehr Energie liefern als eine kontinuierliche Erzeugung über einen ähnlichen Zeitraum. Je kürzer der Impuls dauert, desto stärker ist jeder „Schuss“. Derzeit ist es technisch möglich, einen Femtosekundenlaser zu bauen. Einer seiner Impulse dauert etwa 10-15 Sekunden. Diese Abhängigkeit hängt damit zusammen, dass die oben beschriebenen Prozesse der Rückbesiedelung sehr, sehr wenig andauern. Je länger man wartet, bis der Laser "schießt", desto mehr Elektronen haben Zeit, die inverse Ebene zu verlassen. Dementsprechend werden die Photonenkonzentration und die Energie des Ausgangsstrahls reduziert.

Lasergravur

Muster auf der Oberfläche von Metall- und Glasgegenständen schmücken das tägliche Leben eines Menschen. Sie können mechanisch, chemisch oder mit einem Laser aufgebracht werden. Die letzte Methode ist die modernste. Seine Vorteile gegenüber anderen Methoden sind wie folgt. Da es keine direkte Einwirkung auf die zu behandelnde Oberfläche gibt, ist es fast unmöglich, etwas beim Aufbringen eines Musters oder einer Beschriftung zu beschädigen. Der Laserstrahl brennt sehr flache Rillen aus: Die Oberfläche mit einer solchen Gravur bleibt glatt, was bedeutet, dass das Ding nicht beschädigt wird und länger hält. Bei Metall verändert der Laserstrahl die Struktur der Substanz selbst, und die Beschriftung wird viele Jahre lang nicht gelöscht. Wenn ein Ding sorgfältig verwendet, nicht in Säure getaucht und nicht verformt wird, dann wird das Muster darauf definitiv für mehrere Generationen erh alten bleiben. Aus zwei Gründen ist es am besten, einen gepulsten Festkörperlaser zum Gravieren zu wählen: Festkörperprozesseleichter zu fahren, und es ist optimal in Leistung und Preis.

Installation

Für die Gravur gibt es spezielle Einstellungen. Neben dem Laser selbst bestehen sie aus mechanischen Führungen, entlang derer sich der Laser bewegt, und Steuerungsgeräten (Computer). Die Lasermaschine wird in vielen Bereichen der menschlichen Tätigkeit eingesetzt. Oben haben wir über die Dekoration von Haush altsgegenständen gesprochen. Persönliches Besteck, Feuerzeuge, Gläser, Uhren bleiben lange in der Familie und erinnern an glückliche Momente.

Aber nicht nur Haush alts-, sondern auch Industriegüter benötigen eine Lasergravur. Große Fabriken wie Automobile produzieren Teile in riesigen Mengen: Hunderttausende oder Millionen. Jedes solche Element sollte gekennzeichnet werden - wann und wer es erstellt hat. Es gibt keinen besseren Weg als die Lasergravur: Zahlen, Produktionszeit, Lebensdauer bleiben auch auf beweglichen Teilen lange erh alten, bei denen ein erhöhtes Abriebrisiko besteht. Die Lasermaschine sollte sich in diesem Fall durch erhöhte Leistung sowie Sicherheit auszeichnen. Denn wenn eine Gravur die Eigenschaft eines Metallteils auch nur um den Bruchteil eines Prozents verändert, kann es unterschiedlich auf äußere Einflüsse reagieren. Zum Beispiel an der Stelle brechen, an der die Beschriftung angebracht ist. Für den Hausgebrauch ist jedoch eine einfachere und kostengünstigere Installation geeignet.