Podstawowa zasada działania lasera (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) opiera się na zjawisku wymuszonej emisji światła. Dzięki szeregowi precyzyjnych konstrukcji i struktur, lasery generują wiązki o wysokiej spójności, monochromatyczności i jasności. Lasery są szeroko stosowane w nowoczesnych technologiach, między innymi w takich dziedzinach jak komunikacja, medycyna, produkcja, pomiary i badania naukowe. Ich wysoka wydajność i precyzyjne sterowanie sprawiają, że stanowią one podstawowy element wielu technologii. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie zasad działania laserów i mechanizmów działania różnych typów laserów.
1. Emisja wymuszona
Emisja wymuszonato fundamentalna zasada generacji laserowej, zaproponowana po raz pierwszy przez Einsteina w 1917 roku. Zjawisko to opisuje, jak bardziej spójne fotony powstają w wyniku oddziaływania światła z materią w stanie wzbudzonym. Aby lepiej zrozumieć emisję wymuszoną, zacznijmy od emisji spontanicznej:
Emisja spontanicznaW atomach, cząsteczkach i innych mikroskopijnych cząstkach elektrony mogą absorbować energię zewnętrzną (taką jak energia elektryczna lub optyczna) i przechodzić na wyższy poziom energetyczny, znany jako stan wzbudzony. Elektrony w stanie wzbudzonym są jednak niestabilne i po krótkim czasie powrócą do niższego poziomu energetycznego, znanego jako stan podstawowy. Podczas tego procesu elektron uwalnia foton, co jest emisją spontaniczną. Takie fotony są losowe pod względem częstotliwości, fazy i kierunku, a zatem nie są spójne.
Emisja wymuszonaKluczem do emisji wymuszonej jest to, że gdy elektron w stanie wzbudzonym napotyka foton o energii odpowiadającej jego energii przejścia, foton może spowodować powrót elektronu do stanu podstawowego, uwalniając jednocześnie nowy foton. Nowy foton jest identyczny z pierwotnym pod względem częstotliwości, fazy i kierunku propagacji, co skutkuje spójnym światłem. Zjawisko to znacząco zwiększa liczbę i energię fotonów i stanowi podstawowy mechanizm działania laserów.
Efekt sprzężenia zwrotnego dodatniego emisji wymuszonejW projektowaniu laserów proces emisji wymuszonej jest powtarzany wielokrotnie, a ten dodatni efekt sprzężenia zwrotnego może wykładniczo zwiększać liczbę fotonów. Dzięki zastosowaniu wnęki rezonansowej zachowana jest spójność fotonów, a natężenie wiązki światła jest stale zwiększane.
2. Zysk średni
Tenmedium zyskuMateriał rdzenia lasera, który decyduje o wzmocnieniu fotonów i mocy wyjściowej lasera, stanowi fizyczną podstawę emisji wymuszonej, a jego właściwości determinują częstotliwość, długość fali i moc wyjściową lasera. Rodzaj i właściwości ośrodka wzmocnienia bezpośrednio wpływają na zastosowanie i wydajność lasera.
Mechanizm wzbudzenia:Elektrony w ośrodku wzmocnienia muszą zostać wzbudzone do wyższego poziomu energetycznego za pomocą zewnętrznego źródła energii. Proces ten jest zazwyczaj realizowany za pomocą zewnętrznych systemów zasilania energią. Typowe mechanizmy wzbudzenia obejmują:
Pompowanie elektryczne:Wzbudzenie elektronów w ośrodku wzmocnienia poprzez przyłożenie prądu elektrycznego.
Pompowanie optyczne:Pobudzenie ośrodka za pomocą źródła światła (na przykład lampy błyskowej lub innego lasera).
System poziomów energii:Elektrony w ośrodku wzmocnienia są zazwyczaj rozmieszczone na określonych poziomach energetycznych. Najczęściej występującymi poziomami są:systemy dwupoziomoweIsystemy czteropoziomoweW 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 energetycznymi, co często skutkuje wyższą wydajnością.
Rodzaje mediów wzmacniających:
Medium zysku gazowegoNa przykład lasery helowo-neonowe (He-Ne). Gazowe ośrodki wzmocnienia znane są ze stabilnego wyjścia i stałej długości fali i są szeroko stosowane jako standardowe źródła światła w laboratoriach.
Medium Liquid GainNa przykład lasery barwnikowe. Cząsteczki barwników charakteryzują się dobrymi właściwościami wzbudzania w różnych długościach fal, co czyni je idealnymi do laserów przestrajalnych.
Solidne wzmocnienie średnieNa przykład lasery Nd (granat itrowo-glinowy z domieszką neodymu). Lasery te charakteryzują się wysoką wydajnością i mocą, a także są szeroko stosowane w przemyśle, spawalnictwie i 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
Tenwnęka rezonansowajest elementem konstrukcyjnym lasera używanym do sprzężenia zwrotnego i wzmocnienia. Jego główną funkcją jest zwiększenie liczby fotonów wytwarzanych w wyniku emisji wymuszonej poprzez ich odbicie i wzmocnienie wewnątrz wnęki, generując w ten sposób silny i skupiony sygnał laserowy.
Struktura wnęki rezonatora:Zwykle składa się z dwóch równoległych luster. Jedno z nich to lustro całkowicie odbijające, znane 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 rezonansuKonstrukcja wnęki rezonatora musi spełniać określone warunki, takie jak zapewnienie, że fotony będą tworzyć fale stojące wewnątrz wnęki. Wymaga to, aby długość wnęki była wielokrotnością długości fali lasera. Tylko fale świetlne spełniające te warunki mogą być skutecznie wzmacniane wewnątrz wnęki.
Wiązka wyjściowa: Częściowo odblaskowe lustro przepuszcza część wzmocnionej wiązki światła, tworząc wiązkę wyjściową lasera. Wiązka ta charakteryzuje się wysoką kierunkowością, spójnością i monochromatycznością..
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej lub interesujesz się laserami, skontaktuj się z nami:
Lumispot
Adres: Budynek nr 4, nr 99 Furong 3rd Road, dystrykt Xishan, 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