Podstawowa zasada działania lasera (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) opiera się na zjawisku wymuszonej emisji światła. Dzięki szeregowi precyzyjnych projektów i struktur lasery generują wiązki o wysokiej spójności, monochromatyczności i jasności. Lasery są szeroko stosowane w nowoczesnych technologiach, m.in. w takich dziedzinach jak komunikacja, medycyna, produkcja, pomiary i badania naukowe. Ich wysoka wydajność i precyzyjna charakterystyka sterowania czynią je podstawowym elementem wielu technologii. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie zasady działania laserów oraz mechanizmów działania różnych typów laserów.
1. Emisja stymulowana
Emisja stymulowanato podstawowa zasada generowania lasera, zaproponowana po raz pierwszy przez Einsteina w 1917 r. Zjawisko to opisuje, w jaki sposób powstają bardziej spójne fotony w wyniku interakcji między światłem i materią w stanie wzbudzonym. Aby lepiej zrozumieć emisję wymuszoną, zacznijmy od emisji spontanicznej:
Emisja spontaniczna: W atomach, cząsteczkach lub innych mikroskopijnych cząstkach elektrony mogą absorbować energię zewnętrzną (taką jak energię elektryczną lub optyczną) i przechodzić na wyższy poziom energii, zwany stanem wzbudzonym. Jednakże elektrony w stanie wzbudzonym są niestabilne i po krótkim czasie powrócą do niższego poziomu energii, zwanego stanem podstawowym. Podczas tego procesu elektron uwalnia foton, który jest emisją spontaniczną. Takie fotony są losowe pod względem częstotliwości, fazy i kierunku, a zatem brakuje im spójności.
Stymulowana emisja: Kluczem do emisji wymuszonej jest to, że gdy elektron w stanie wzbudzonym napotyka foton o energii odpowiadającej jego energii przejścia, foton może skłonić elektron do powrotu do stanu podstawowego, uwalniając jednocześnie nowy foton. Nowy foton jest identyczny z pierwotnym pod względem częstotliwości, fazy i kierunku propagacji, co daje spójne światło. Zjawisko to znacznie zwiększa liczbę i energię fotonów i jest podstawowym mechanizmem działania laserów.
Pozytywny efekt sprzężenia zwrotnego emisji wymuszonej: W konstrukcji laserów proces emisji wymuszonej powtarza się wielokrotnie, a ten efekt dodatniego sprzężenia zwrotnego może wykładniczo zwiększać liczbę fotonów. Za pomocą wnęki rezonansowej utrzymywana jest spójność fotonów, a natężenie wiązki światła stale wzrasta.
2. Zyskaj średni
Thezyskać średniojest materiałem rdzenia lasera, który określa wzmocnienie fotonów i moc wyjściową lasera. Stanowi fizyczną podstawę emisji wymuszonej, a jej właściwości określają częstotliwość, długość fali i moc wyjściową lasera. Rodzaj i charakterystyka ośrodka wzmacniającego bezpośrednio wpływają na zastosowanie i wydajność lasera.
Mechanizm wzbudzenia: Elektrony w ośrodku wzmacniającym muszą zostać wzbudzone do wyższego poziomu energii przez zewnętrzne źródło energii. Proces ten realizowany jest zazwyczaj poprzez zewnętrzne systemy zasilania energią. Typowe mechanizmy wzbudzenia obejmują:
Pompowanie elektryczne: Wzbudzanie elektronów w ośrodku wzmacniającym poprzez przyłożenie prądu elektrycznego.
Pompowanie optyczne: Ekscytowanie ośrodka za pomocą źródła światła (takiego jak lampa błyskowa lub inny laser).
System poziomów energii: Elektrony w ośrodku wzmacniającym są zazwyczaj rozmieszczone na określonych poziomach energii. Najczęstsze sąsystemy dwupoziomoweIsystemy czteropoziomowe. W prostym układzie dwupoziomowym elektrony przechodzą ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, a następnie powracają do stanu podstawowego poprzez emisję wymuszoną. W układzie czteropoziomowym elektrony przechodzą bardziej złożone przejścia między różnymi poziomami energii, co często skutkuje wyższą wydajnością.
Rodzaje nośników zysku:
Średni przyrost gazu: Na przykład lasery helowo-neonowe (He-Ne). Media wzmacniające gaz są znane ze swojej stabilnej mocy wyjściowej i stałej długości fali i są szeroko stosowane jako standardowe źródła światła w laboratoriach.
Medium zwiększające płynność: Na przykład lasery barwnikowe. Cząsteczki barwnika mają dobre właściwości wzbudzania w różnych długościach fal, co czyni je idealnymi do przestrajalnych laserów.
Średnie wzmocnienie: Na przykład lasery Nd (granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem). Lasery te są bardzo wydajne i mocne i są szeroko stosowane w cięciu przemysłowym, spawaniu i zastosowaniach medycznych.
Średnie wzmocnienie półprzewodników: Na przykład materiały z arsenku galu (GaAs) są szeroko stosowane w urządzeniach komunikacyjnych i optoelektronicznych, takich jak diody laserowe.
3. Wnęka rezonatora
Thewnęka rezonatorajest elementem strukturalnym lasera używanym do sprzężenia zwrotnego i wzmacniania. Jego podstawową funkcją jest zwiększanie liczby fotonów wytwarzanych w wyniku emisji wymuszonej poprzez odbicie i wzmocnienie ich wewnątrz wnęki, generując w ten sposób silny i skupiony strumień lasera.
Struktura wnęki rezonatora: Zwykle składa się z dwóch równoległych luster. Jednym z nich jest w pełni odblaskowe lustro, tzwlusterko wsteczne, a drugie to lustro częściowo odbijające światło, zwane tzwlustro wyjściowe. Fotony odbijają się tam i z powrotem wewnątrz wnęki i są wzmacniane poprzez interakcję z ośrodkiem wzmacniającym.
Stan rezonansu: Konstrukcja wnęki rezonatora musi spełniać pewne warunki, takie jak zapewnienie, że fotony tworzą fale stojące wewnątrz wnęki. Wymaga to, aby długość wnęki była wielokrotnością długości fali lasera. Tylko fale świetlne spełniające te warunki mogą zostać skutecznie wzmocnione wewnątrz wnęki.
Wiązka wyjściowa: Lustro częściowo odbijające światło umożliwia przejście części wzmocnionej wiązki światła, tworząc wiązkę wyjściową lasera. Wiązka ta charakteryzuje się wysoką kierunkowością, spójnością i monochromatycznością.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej lub interesują Cię lasery, zapraszamy do kontaktu:
Lumispot
Adres: Budynek 4 #, nr 99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Chiny
Tel: + 86-0510 87381808.
Telefon komórkowy: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Strona internetowa: www.lumispot-tech.com
Czas publikacji: 18 września 2024 r