Principiul de bază de lucru al unui laser (amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații) se bazează pe fenomenul de emisie stimulată 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 comunicarea, medicina, producția, măsurarea și cercetarea științifică. Eficiența lor ridicată și caracteristicile de control precise le fac componenta de bază a multor tehnologii. Mai jos este o explicație detaliată a principiilor de funcționare a laserelor și a mecanismelor diferitelor tipuri de lasere.
1. Emisia stimulată
Emisia stimulataeste 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 în stare excitată. Pentru a înțelege mai bine emisia stimulată, să începem cu emisia spontană:
Emisia spontană: În 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 mai înalt, cunoscut sub numele de stare excitată. Cu toate acestea, electronii în stare excitată sunt instabili și vor reveni în cele din urmă la un nivel de energie mai scăzut, cunoscut sub numele de stare fundamentală, după o perioadă scurtă. În timpul acestui proces, electronul eliberează un foton, care este o emisie spontană. Astfel de fotoni sunt aleatori în termeni de frecvență, fază și direcție și, prin urmare, nu au coerență.
Emisia stimulata: Cheia emisiei stimulate este că atunci când un electron 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 în timp ce eliberează un nou foton. Noul foton este identic cu cel original în ceea ce privește frecvența, fază și direcția de propagare, rezultând o lumină coerentă. Acest fenomen amplifică semnificativ numărul și energia fotonilor și este mecanismul de bază al laserelor.
Efectul de feedback pozitiv al emisiilor stimulate: În proiectarea laserelor, procesul de emisie stimulată se repetă de mai multe ori, iar acest efect de feedback pozitiv poate crește exponențial numărul de fotoni. Cu ajutorul unei cavități rezonante se menține coerența fotonilor, iar intensitatea fasciculului luminos este crescută continuu.
2. Câștigați mediu
Thecâștig mediueste materialul de bază din laser care determină amplificarea fotonilor și ieșirea laserului. Este baza fizică pentru emisia stimulată, iar proprietățile sale determină frecvența, lungimea de undă și puterea de ieșire a laserului. Tipul și caracteristicile mediului de câștig afectează direct aplicarea și performanța laserului.
Mecanismul de excitare: Electronii din mediul de câștig trebuie să fie excitați la un nivel de energie mai înalt de către o sursă de energie externă. Acest proces este realizat de obicei prin sisteme externe de alimentare cu energie. Mecanismele comune de excitare includ:
Pompare electrică: Excitarea electronilor din mediul de câștig prin aplicarea unui curent electric.
Pompare optică: Emoționarea mediului cu o sursă de lumină (cum ar fi o lampă bliț sau un alt laser).
Sistemul de niveluri de energie: Electronii din mediul de câștig sunt de obicei distribuiți în niveluri specifice de energie. Cele mai frecvente suntsisteme pe două nivelurişisisteme pe patru niveluri. Într-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 suferă tranziții mai complexe între diferite niveluri de energie, ducând adesea la o eficiență mai mare.
Tipuri de mediu de câștig:
Mediu de câștig de gaz: De exemplu, lasere cu heliu-neon (He-Ne). Mediile de câștig de gaz 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 de lichid: De exemplu, lasere colorante. Moleculele de colorant au proprietăți bune de excitare pe diferite lungimi de undă, ceea ce le face ideale pentru laserele reglabile.
Mediu de câștig solid: De exemplu, lasere Nd (granat ytriu aluminiu dopat cu neodim). Aceste lasere sunt extrem de eficiente și puternice și sunt utilizate pe scară largă în tăierea industrială, sudare și aplicații medicale.
Câștig mediu semiconductor: De exemplu, materialele cu arseniură de galiu (GaAs) sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de comunicații și optoelectronice, cum ar fi diodele laser.
3. Cavitatea rezonatorului
Thecavitatea rezonatoruluieste o componentă structurală a laserului utilizată pentru feedback și amplificare. Funcția sa de bază este de a spori numărul de fotoni produși prin emisia stimulată prin reflectarea și amplificarea acestora în interiorul cavității, generând astfel o ieșire laser puternică și focalizată.
Structura cavității rezonatorului: De obicei este format din două oglinzi paralele. Una este o oglindă complet reflectorizantă, cunoscută sub numele deoglinda spate, iar cealaltă este o oglindă parțial reflectorizantă, cunoscută sub numele deoglindă de ieșire. Fotonii se reflectă înainte și înapoi în interiorul cavității și sunt amplificați prin interacțiunea cu mediul de câștig.
Condiție de rezonanță: Designul 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 laser. Doar undele luminoase care îndeplinesc aceste condiții pot fi amplificate eficient în interiorul cavității.
Fascicul de ieșire: Oglinda parțial reflectorizant permite trecerea unei părți a fasciculului de lumină amplificat, formând fasciculul de ieșire al laserului. Acest fascicul are direcționalitate, coerență și monocromaticitate ridicate.
Dacă doriți să aflați mai multe sau sunteți interesat de lasere, nu ezitați să ne contactați:
Lumispot
Adresă: Clădirea 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Site: www.lumispot-tech.com
Ora postării: 18-sept-2024