Principiul de bază al funcționării unui laser (Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată de Radiații) se bazează pe fenomenul emisiei stimulate de lumină. Printr-o serie de modele și structuri precise, laserele generează fascicule cu coerență, monocromaticitate și luminozitate ridicate. Laserele sunt utilizate pe scară largă în tehnologia modernă, inclusiv în domenii precum comunicațiile, medicina, producția, măsurarea și cercetarea științifică. Eficiența lor ridicată și caracteristicile de control precis le fac componenta centrală a multor tehnologii. Mai jos este o explicație detaliată a principiilor de funcționare ale laserelor și a mecanismelor diferitelor tipuri de lasere.
1. Emisie stimulată
Emisie stimulatăeste principiul fundamental din spatele generării laserului, propus pentru prima dată de Einstein în 1917. Acest fenomen descrie modul în care sunt produși fotoni mai coerenți prin interacțiunea dintre lumină și materia aflată în stare excitată. Pentru a înțelege mai bine emisia stimulată, să începem cu emisia spontană:
Emisie spontanăÎn atomi, molecule sau alte particule microscopice, electronii pot absorbi energie externă (cum ar fi energia electrică sau optică) și pot trece la un nivel de energie superior, cunoscut sub numele de stare excitată. Cu toate acestea, electronii aflați în stare excitată sunt instabili și, în cele din urmă, vor reveni la un nivel de energie inferior, cunoscut sub numele de stare fundamentală, după o perioadă scurtă de timp. În timpul acestui proces, electronul eliberează un foton, care este emisie spontană. Acești fotoni sunt aleatori în ceea ce privește frecvența, faza și direcția și, prin urmare, le lipsește coerența.
Emisie stimulatăCheia emisiei stimulate constă în faptul că, atunci când un electron aflat în stare excitată întâlnește un foton cu o energie care se potrivește cu energia sa de tranziție, fotonul poate determina electronul să revină la starea fundamentală, eliberând în același timp un nou foton. Noul foton este identic cu cel original în ceea ce privește frecvența, faza și direcția de propagare, rezultând o lumină coerentă. Acest fenomen amplifică semnificativ numărul și energia fotonilor și reprezintă mecanismul central al laserelor.
Efectul de feedback pozitiv al emisiei stimulateÎn proiectarea laserelor, procesul de emisie stimulată este repetat de mai multe ori, iar acest efect de feedback pozitiv poate crește exponențial numărul de fotoni. Cu ajutorul unei cavități rezonante, coerența fotonilor este menținută, iar intensitatea fasciculului luminos este crescută continuu.
2. Câștig mediu
Cel/Cea/Cei/Celecâștig mediueste materialul central al laserului care determină amplificarea fotonilor și puterea de ieșire a laserului. Este baza fizică a emisiei stimulate, iar proprietățile sale determină frecvența, lungimea de undă și puterea de ieșire a laserului. Tipul și caracteristicile mediului de amplificare afectează direct aplicarea și performanța laserului.
Mecanismul de excitațieElectronii din mediul de amplificare trebuie să fie excitați la un nivel de energie mai ridicat de către o sursă de energie externă. Acest proces este de obicei realizat prin sisteme externe de alimentare cu energie. Mecanismele comune de excitație includ:
Pompare electricăExcitarea electronilor din mediul de amplificare prin aplicarea unui curent electric.
Pompare opticăExcitarea mediului cu o sursă de lumină (cum ar fi o lampă cu bliț sau un alt laser).
Sistemul de niveluri de energieElectronii din mediul de amplificare sunt de obicei distribuiți în anumite niveluri de energie. Cele mai frecvente suntsisteme pe două nivelurişisisteme pe patru niveluriÎntr-un sistem simplu cu două niveluri, electronii trec de la starea fundamentală la starea excitată și apoi revin la starea fundamentală prin emisie stimulată. Într-un sistem cu patru niveluri, electronii trec prin tranziții mai complexe între diferite niveluri de energie, ceea ce duce adesea la o eficiență mai mare.
Tipuri de medii de amplificare:
Mediu de câștig de gazDe exemplu, laserele cu heliu-neon (He-Ne). Mediile cu amplificare gazoasă sunt cunoscute pentru puterea lor stabilă și lungimea de undă fixă și sunt utilizate pe scară largă ca surse de lumină standard în laboratoare.
Mediu de câștig lichidDe exemplu, laserele cu colorant. Moleculele de colorant au proprietăți bune de excitație pe diferite lungimi de undă, ceea ce le face ideale pentru laserele reglabile.
Câștig solid mediuDe exemplu, lasere cu Nd (granat de ytriu și aluminiu dopat cu neodim). Aceste lasere sunt extrem de eficiente și puternice și sunt utilizate pe scară largă în tăiere industrială, sudare și aplicații medicale.
Mediu de câștig semiconductorDe exemplu, materialele pe bază de arsenură de galiu (GaAs) sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de comunicații și optoelectronice, cum ar fi diodele laser.
3. Cavitatea rezonatorului
Cel/Cea/Cei/Celecavitatea rezonatoruluieste o componentă structurală a laserului utilizată pentru feedback și amplificare. Funcția sa principală este de a crește numărul de fotoni produși prin emisie stimulată prin reflectarea și amplificarea acestora în interiorul cavității, generând astfel o ieșire laser puternică și focalizată.
Structura cavității rezonatoruluiDe obicei, este alcătuită din două oglinzi paralele. Una este o oglindă complet reflectorizantă, cunoscută sub numele deoglindă retrovizoare, iar cealaltă este o oglindă parțial reflectorizantă, cunoscută sub numele deoglindă de ieșireFotonii se reflectă înainte și înapoi în interiorul cavității și sunt amplificați prin interacțiunea cu mediul de amplificare.
Condiție de rezonanțăProiectarea cavității rezonatorului trebuie să îndeplinească anumite condiții, cum ar fi asigurarea faptului că fotonii formează unde staționare în interiorul cavității. Acest lucru necesită ca lungimea cavității să fie un multiplu al lungimii de undă a laserului. Doar undele luminoase care îndeplinesc aceste condiții pot fi amplificate eficient în interiorul cavității.
Fascicul de ieșireOglinda parțial reflectorizantă permite trecerea unei porțiuni din fasciculul luminos amplificat, formând fasciculul de ieșire al laserului. Acest fascicul are direcționalitate, coerență și monocromaticitate ridicate..
Dacă doriți să aflați mai multe sau sunteți interesați de lasere, vă rugăm să ne contactați:
Lumispot
Adresă: Clădirea 4 #, Nr. 99 Furong 3rd Road, Districtul Xishan, Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Site web: www.lumispot-tech.com
Data publicării: 18 septembrie 2024