Laser de estado sólido: princípio de operação, aplicação

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Este artigo mostra quais são as fontes de radiação monocromática e quais as vantagens de um laser de estado sólido sobre outros tipos. Ele conta como ocorre a geração de radiação coerente, por que o dispositivo pulsado é mais poderoso, por que a gravação é necessária. Também discute os três elementos essenciais de um laser e como ele funciona.

Teoria das zonas

Antes de falar sobre como funciona um laser (estado sólido, por exemplo), alguns modelos físicos devem ser considerados. Todo mundo se lembra das lições da escola que os elétrons estão localizados ao redor do núcleo atômico em certas órbitas, ou níveis de energia. Se tivermos à nossa disposição não um átomo, mas muitos, ou seja, considerarmos qualquer corpo volumétrico, surge uma dificuldade.

Segundo o princípio de Pauli, em um dado corpo com a mesma energia só pode haver um elétron. Além disso, mesmo o menor grão de areia contém um grande número de átomos. Neste caso, a natureza encontrou uma saída muito elegante - a energia de cadaelétron difere da energia do vizinho por uma quantidade muito pequena, quase indistinguível. Neste caso, todos os elétrons do mesmo nível são "comprimidos" em uma banda de energia. A zona na qual os elétrons mais distantes do núcleo estão localizados é chamada de zona de valência. A zona seguinte tem uma energia mais alta. Nela, os elétrons se movem livremente, e é chamada de banda de condução.

Emissão e absorção

Qualquer laser (estado sólido, gás, produto químico) funciona nos princípios da transição eletrônica de uma zona para outra. Se a luz incide sobre o corpo, o fóton dá ao elétron força suficiente para colocá-lo em um estado de energia mais alto. E vice-versa: quando um elétron passa da banda de condução para a banda de valência, ele emite um fóton. Se a substância for um semicondutor ou dielétrico, as bandas de valência e condução são separadas por um intervalo no qual não há um único nível. Assim, os elétrons não podem estar lá. Esse intervalo é chamado de band gap. Se o fóton tiver energia suficiente, os elétrons s altam nesse intervalo.

Geração

O princípio de funcionamento de um laser de estado sólido é baseado no fato de que um chamado nível inverso é criado no intervalo de banda de uma substância. O tempo de vida de um elétron nesse nível é maior do que o tempo que ele passa na banda de condução. Assim, em um determinado período de tempo, é nele que os elétrons se “acumulam”. Isso é chamado de população inversa. Quando passado tal nível pontilhadoelétrons, um fóton do comprimento de onda desejado passa, provoca a geração simultânea de um grande número de ondas de luz do mesmo comprimento e fase. Ou seja, todos os elétrons em uma avalanche passam simultaneamente para o estado fundamental, gerando um feixe de fótons monocromáticos de potência suficientemente alta. Deve-se notar que o principal problema dos desenvolvedores do primeiro laser foi a busca de tal combinação de substâncias para a qual seria possível uma população inversa de um dos níveis. O rubi ligado tornou-se a primeira substância de trabalho.

Composição a Laser

O laser de estado sólido não difere de outros tipos em termos de seus principais componentes. O corpo de trabalho, no qual se realiza a população inversa de um dos níveis, é iluminado por alguma fonte de luz. Chama-se bombeamento. Muitas vezes, pode ser uma lâmpada incandescente comum ou um tubo de descarga de gás. Duas extremidades paralelas do fluido de trabalho (um laser de estado sólido significa um cristal, um laser de gás significa um meio rarefeito) formam um sistema de espelhos ou um ressonador óptico. Ele coleta em um feixe apenas os fótons que vão paralelos à saída. Os lasers de estado sólido geralmente são bombeados com lâmpadas de flash.

Tipos de lasers de estado sólido

Dependendo da saída do raio laser, distinguem-se lasers contínuos e pulsados. Cada um deles encontra aplicação e tem suas próprias características. A principal diferença é que os lasers de estado sólido pulsados têm uma potência maior. Porque para cada tiroos fótons parecem “acumular”, então um pulso é capaz de fornecer mais energia do que a geração contínua durante um período de tempo semelhante. Quanto mais curto o impulso dura, mais poderoso cada "tiro". No momento, é tecnologicamente possível construir um laser de femtosegundo. Um de seus impulsos dura cerca de 10-15 segundos. Essa dependência está ligada ao fato de que os processos de retropopulação descritos acima duram muito, muito pouco. Quanto mais tempo leva para esperar antes que o laser "dispare", mais elétrons têm tempo para sair do nível inverso. Assim, a concentração de fótons e a energia do feixe de saída são reduzidas.

Gravação a laser

Padrões na superfície das coisas de metal e vidro adornam a vida cotidiana de uma pessoa. Eles podem ser aplicados mecanicamente, quimicamente ou com um laser. O último método é o mais moderno. Suas vantagens sobre outros métodos são as seguintes. Como não há impacto direto na superfície a ser tratada, é quase impossível danificar uma coisa no processo de aplicação de um padrão ou inscrição. O feixe de laser queima sulcos muito rasos: a superfície com essa gravação permanece lisa, o que significa que a coisa não é danificada e durará mais. No caso do metal, o raio laser altera a própria estrutura da substância e a inscrição não será apagada por muitos anos. Se uma coisa for usada com cuidado, não imersa em ácido e não deformada, por várias gerações o padrão será definitivamente preservado. É melhor escolher um laser pulsado de estado sólido para gravação por dois motivos: processos de estado sólidomais fácil de dirigir e é ótimo em termos de potência e preço.

Instalação

Existem configurações especiais para gravação. Além do próprio laser, eles consistem em guias mecânicas ao longo das quais o laser se move e equipamentos de controle (computador). A máquina a laser é utilizada em muitos ramos da atividade humana. Acima, falamos sobre decoração de utensílios domésticos. Talheres pessoais, isqueiros, copos, relógios ficarão na família por muito tempo e lembrarão de momentos felizes.

No entanto, não apenas produtos domésticos, mas também produtos industriais precisam de gravação a laser. Grandes fábricas, como automóveis, produzem peças em grandes quantidades: centenas de milhares ou milhões. Cada um desses elementos deve ser marcado - quando e quem o criou. Não há melhor maneira do que a gravação a laser: números, tempo de produção, vida útil permanecem por muito tempo mesmo em peças móveis, para as quais há um risco aumentado de abrasão. A máquina a laser, neste caso, deve ser distinguida pelo aumento da potência, bem como pela segurança. Afinal, se a gravação altera a propriedade de uma peça de metal mesmo por uma fração de um por cento, ela pode reagir de maneira diferente a influências externas. Por exemplo, quebre no local onde a inscrição é aplicada. No entanto, para uso doméstico, uma instalação mais simples e barata é adequada.