Láser de estado sólido: principio de funcionamiento, aplicación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Este artículo muestra cuáles son las fuentes de radiación monocromática y qué ventajas tiene un láser de estado sólido sobre otros tipos. Dice cómo se produce la generación de radiación coherente, por qué el dispositivo pulsado es más potente, por qué es necesario grabar. También analiza los tres elementos esenciales de un láser y cómo funciona.

Teoría de zonas

Antes de hablar sobre cómo funciona un láser (de estado sólido, por ejemplo), se deben considerar algunos modelos físicos. Todos recuerdan de las lecciones escolares que los electrones están ubicados alrededor del núcleo atómico en ciertas órbitas o niveles de energía. Si tenemos a nuestra disposición no un átomo, sino muchos, es decir, consideramos cualquier cuerpo volumétrico, entonces surge una dificultad.

Según el principio de Pauli, en un cuerpo dado con la misma energía solo puede haber un electrón. Además, incluso el grano de arena más pequeño contiene una gran cantidad de átomos. En este caso, la naturaleza ha encontrado una salida muy elegante: la energía de cadaEl electrón difiere de la energía del vecino en una cantidad muy pequeña, casi indistinguible. En este caso, todos los electrones del mismo nivel se "comprimen" en una banda de energía. La zona en la que se encuentran los electrones más alejados del núcleo se denomina zona de valencia. La zona que le sigue tiene una energía superior. En ella, los electrones se mueven libremente y se denomina banda de conducción.

Emisión y absorción

Cualquier láser (de estado sólido, de gas, químico) funciona según los principios de la transición de electrones de una zona a otra. Si la luz cae sobre el cuerpo, entonces el fotón le da al electrón la fuerza suficiente para ponerlo en un estado de mayor energía. Y viceversa: cuando un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, emite un fotón. Si la sustancia es un semiconductor o dieléctrico, las bandas de valencia y conducción están separadas por un intervalo en el que no hay un solo nivel. En consecuencia, los electrones no pueden estar allí. Este intervalo se denomina banda prohibida. Si el fotón tiene suficiente energía, entonces los electrones s altan sobre este intervalo.

Generación

El principio de funcionamiento de un láser de estado sólido se basa en el hecho de que se crea un llamado nivel inverso en la banda prohibida de una sustancia. El tiempo de vida de un electrón en este nivel es más largo que el tiempo que pasa en la banda de conducción. Así, en un cierto período de tiempo, es en él donde se “acumulan” los electrones. Esto se llama población inversa. Cuando pasado tal nivel salpicadoelectrones, pasa un fotón de la longitud de onda deseada, provoca la generación simultánea de un gran número de ondas de luz de la misma longitud y fase. Es decir, todos los electrones de una avalancha pasan simultáneamente al estado fundamental, generando un haz de fotones monocromáticos de una potencia suficientemente alta. Cabe señalar que el principal problema de los desarrolladores del primer láser fue la búsqueda de una combinación de sustancias para la cual sería posible una población inversa de uno de los niveles. El rubí aleado se convirtió en la primera sustancia de trabajo.

Composición láser

El láser de estado sólido no difiere de otros tipos en cuanto a sus componentes principales. El cuerpo de trabajo, en el que se lleva a cabo la población inversa de uno de los niveles, está iluminado por alguna fuente de luz. Se llama bombeo. A menudo, esto puede ser una lámpara incandescente ordinaria o un tubo de descarga de gas. Dos extremos paralelos del fluido de trabajo (un láser de estado sólido significa un cristal, un láser de gas significa un medio enrarecido) forman un sistema de espejos o un resonador óptico. Recoge en un haz solo aquellos fotones que van paralelos a la salida. Los láseres de estado sólido generalmente se bombean con lámparas de destello.

Tipos de láseres de estado sólido

Dependiendo de la forma en que sale el rayo láser, se distinguen los láseres continuos y pulsados. Cada uno de ellos encuentra aplicación y tiene sus propias características. La principal diferencia es que los láseres de estado sólido pulsados tienen una potencia superior. Porque por cada tirolos fotones parecen "acumularse", entonces un pulso es capaz de entregar más energía que la generación continua durante un período de tiempo similar. Cuanto más breve sea la duración del impulso, más potente será cada "tiro". Por el momento, es tecnológicamente posible construir un láser de femtosegundo. Uno de sus impulsos dura unos 10-15 segundos. Esta dependencia está relacionada con el hecho de que los procesos de retropoblación descritos anteriormente duran muy, muy poco. Cuanto más tarde en esperar antes de que el láser "dispare", más electrones tendrán tiempo de abandonar el nivel inverso. En consecuencia, se reducen la concentración de fotones y la energía del haz de salida.

Grabado láser

Los patrones en la superficie de las cosas de metal y vidrio adornan la vida diaria de una persona. Se pueden aplicar mecánicamente, químicamente o con láser. El último método es el más moderno. Sus ventajas sobre otros métodos son las siguientes. Dado que no hay un impacto directo sobre la superficie a tratar, es casi imposible dañar algo en el proceso de aplicación de un patrón o inscripción. El rayo láser quema surcos muy poco profundos: la superficie con dicho grabado permanece suave, lo que significa que no se daña y durará más. En el caso del metal, el rayo láser cambia la estructura misma de la sustancia y la inscripción no se borrará durante muchos años. Si una cosa se usa con cuidado, no se sumerge en ácido y no se deforma, entonces definitivamente se conservará el patrón durante varias generaciones. Lo mejor es elegir un láser pulsado de estado sólido para grabar por dos razones: procesos de estado sólidomás fácil de conducir, y es óptimo en términos de potencia y precio.

Instalación

Hay ajustes especiales para grabar. Además del propio láser, consisten en guías mecánicas a lo largo de las cuales se mueve el láser y equipo de control (computadora). La máquina láser se utiliza en muchas ramas de la actividad humana. Arriba, hablamos sobre la decoración de artículos para el hogar. Cubiertos personales, encendedores, vasos, relojes permanecerán en la familia durante mucho tiempo y le recordarán momentos felices.

Sin embargo, no solo el hogar, sino también los productos industriales necesitan grabado láser. Las grandes fábricas, como las de automóviles, producen piezas en grandes cantidades: cientos de miles o millones. Cada uno de estos elementos debe estar marcado: cuándo y quién lo creó. No hay mejor manera que el grabado con láser: los números, el tiempo de producción y la vida útil permanecerán durante mucho tiempo incluso en las piezas móviles, para las que existe un mayor riesgo de abrasión. La máquina láser en este caso debe distinguirse por una mayor potencia y seguridad. Después de todo, si el grabado cambia la propiedad de una pieza de metal incluso en una fracción de un porcentaje, puede reaccionar de manera diferente a las influencias externas. Por ejemplo, rompa en el lugar donde se aplica la inscripción. Sin embargo, para uso doméstico es adecuada una instalación más sencilla y económica.