Podstawowa zasada działania lasera (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) opiera się na zjawisku wymuszonej emisji światła. Poprzez szereg precyzyjnych projektów i struktur lasery generują wiązki o wysokiej spójności, monochromatyczności i jasności. Lasery są szeroko stosowane w nowoczesnej technologii, w tym w takich dziedzinach jak komunikacja, medycyna, produkcja, pomiary i badania naukowe. Ich wysoka wydajność i precyzyjne cechy sterowania sprawiają, że są one podstawowym elementem wielu technologii. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie zasad działania laserów i mechanizmów różnych typów laserów.
1. Emisja wymuszona
Emisja stymulowanajest podstawową zasadą generacji laserowej, zaproponowaną po raz pierwszy przez Einsteina w 1917 r. Zjawisko to opisuje, w jaki sposób bardziej spójne fotony są wytwarzane poprzez interakcję między światłem a materią w stanie wzbudzonym. Aby lepiej zrozumieć emisję wymuszoną, zacznijmy od emisji spontanicznej:
Emisja spontaniczna: W atomach, cząsteczkach lub innych mikroskopijnych cząsteczkach elektrony mogą absorbować energię zewnętrzną (taką jak energia elektryczna lub optyczna) i przechodzić na wyższy poziom energetyczny, znany jako stan wzbudzony. Jednak elektrony w stanie wzbudzonym są niestabilne i ostatecznie powrócą do niższego poziomu energetycznego, znanego jako stan podstawowy, po krótkim okresie. Podczas tego procesu elektron uwalnia foton, który jest emisją spontaniczną. Takie fotony są losowe pod względem częstotliwości, fazy i kierunku, a zatem nie mają spójności.
Emisja wymuszona:Kluczem do wymuszonej emisji jest to, że gdy elektron w stanie wzbudzonym napotyka foton o energii odpowiadającej jego energii przejściowej, foton może spowodować powrót elektronu do stanu podstawowego, uwalniając jednocześnie nowy foton. Nowy foton jest identyczny z oryginalnym pod względem częstotliwości, fazy i kierunku propagacji, co skutkuje spójnym światłem. Zjawisko to znacznie wzmacnia liczbę i energię fotonów i stanowi podstawowy mechanizm laserów.
Efekt sprzężenia zwrotnego dodatniego emisji wymuszonej:W projektowaniu laserów proces emisji wymuszonej jest powtarzany wielokrotnie, a ten dodatni efekt sprzężenia zwrotnego może wykładniczo zwiększyć liczbę fotonów. Za pomocą wnęki rezonansowej utrzymywana jest spójność fotonów, a intensywność wiązki światła jest stale zwiększana.
2. Zyskaj średnie
Tenzysk średnijest materiałem rdzenia lasera, który określa wzmocnienie fotonów i moc lasera. Jest fizyczną podstawą wymuszonej emisji, a jego właściwości określają częstotliwość, długość fali i moc wyjściową lasera. Typ i charakterystyka ośrodka wzmocnienia bezpośrednio wpływają na zastosowanie i wydajność lasera.
Mechanizm wzbudzenia: Elektrony w ośrodku wzmocnienia muszą zostać wzbudzone do wyższego poziomu energii przez zewnętrzne źródło energii. Proces ten jest zwykle osiągany przez zewnętrzne systemy zasilania energią. Typowe mechanizmy wzbudzenia obejmują:
Pompowanie elektryczne:Pobudzenie elektronów w ośrodku wzmocnienia poprzez przyłożenie prądu elektrycznego.
Pompowanie optyczne:Pobudzenie ośrodka za pomocą źródła światła (np. lampy błyskowej lub innego lasera).
System poziomów energii:Elektrony w ośrodku wzmocnienia są zazwyczaj rozmieszczone na określonych poziomach energii. Najczęściej występującymi są:systemy dwupoziomoweIsystemy czteropoziomowe. W prostym dwupoziomowym układzie elektrony przechodzą ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, a następnie powracają do stanu podstawowego poprzez emisję wymuszoną. W czteropoziomowym układzie elektrony przechodzą bardziej złożone przejścia między różnymi poziomami energii, co często skutkuje wyższą wydajnością.
Rodzaje mediów wzmacniających:
Średni zysk gazu: Na przykład lasery helowo-neonowe (He-Ne). Nośniki wzmocnienia gazowego są znane ze stabilnego wyjścia 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 wzbudzające w różnych długościach fal, co czyni je idealnymi do laserów strojonych.
Stały zysk średni: Na przykład lasery Nd (granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem). Lasery te są wysoce wydajne i mocne, a także szeroko stosowane w przemyśle do cięcia, spawania i w medycynie.
Medium wzmocnienia półprzewodnikowego:Na przykład materiały z arsenku galu (GaAs) są szeroko stosowane w urządzeniach komunikacyjnych i optoelektronicznych, takich jak diody laserowe.
3. Komora rezonansowa
Tenkomora rezonansowajest elementem strukturalnym lasera używanym do sprzężenia zwrotnego i wzmocnienia. Jego podstawową funkcją jest zwiększenie liczby fotonów wytwarzanych poprzez emisję wymuszoną poprzez odbijanie i wzmacnianie ich wewnątrz wnęki, generując w ten sposób silny i skupiony sygnał wyjściowy lasera.
Struktura wnęki rezonatora: Zwykle składa się z dwóch równoległych luster. Jedno z nich jest lustrem całkowicie odbijającym, znanym jakolusterko wstecznea drugie jest częściowo odbijającym lustrem, znanym jakolustro wyjścioweFotony odbijają się w przód i w tył wewnątrz wnęki i są wzmacniane poprzez interakcję z ośrodkiem wzmocnienia.
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, które spełniają te warunki, mogą być skutecznie wzmacniane wewnątrz wnęki.
Wyjście wiązki: Częściowo odblaskowe lustro pozwala na przejście części wzmocnionej wiązki światła, tworząc wiązkę wyjściową lasera. Ta wiązka ma wysoką kierunkowość, spójność i monochromatyczność.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej lub jesteś zainteresowany laserami, skontaktuj się z nami:
Światło
Adres: Budynek 4 #, No.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: 18-09-2024