Основний принцип роботи лазера (підсилення світла шляхом вимушеного випромінювання) базується на явищі вимушеного випромінювання світла. Завдяки серії точних конструкцій та структур лазери генерують промені з високою когерентністю, монохроматичністю та яскравістю. Лазери широко використовуються в сучасних технологіях, зокрема в таких галузях, як зв'язок, медицина, виробництво, вимірювання та наукові дослідження. Їх висока ефективність та точні характеристики керування роблять їх основним компонентом багатьох технологій. Нижче наведено детальне пояснення принципів роботи лазерів та механізмів різних типів лазерів.
1. Вимушене випромінювання
Вимушене випромінювання– це фундаментальний принцип генерації лазера, вперше запропонований Ейнштейном у 1917 році. Це явище описує, як утворюються більш когерентні фотони внаслідок взаємодії між світлом та збудженою речовиною. Щоб краще зрозуміти вимушене випромінювання, почнемо зі спонтанного випромінювання:
Спонтанне випромінюванняВ атомах, молекулах або інших мікроскопічних частинках електрони можуть поглинати зовнішню енергію (наприклад, електричну або оптичну) та переходити на вищий енергетичний рівень, відомий як збуджений стан. Однак електрони у збудженому стані нестабільні та зрештою повертаються на нижчий енергетичний рівень, відомий як основний стан, через короткий проміжок часу. Під час цього процесу електрон вивільняє фотон, що є спонтанним випромінюванням. Такі фотони є випадковими за частотою, фазою та напрямком, і тому не мають когерентності.
Вимушене випромінюванняКлюч до вимушеного випромінювання полягає в тому, що коли електрон у збудженому стані зустрічає фотон з енергією, що відповідає енергії його переходу, фотон може спонукати електрон повернутися в основний стан, вивільняючи при цьому новий фотон. Новий фотон ідентичний початковому за частотою, фазою та напрямком поширення, що призводить до когерентного світла. Це явище значно збільшує кількість та енергію фотонів і є основним механізмом лазерів.
Ефект позитивного зворотного зв'язку вимушеного випромінюванняУ конструкції лазерів процес вимушеного випромінювання повторюється багаторазово, і цей ефект позитивного зворотного зв'язку може експоненціально збільшувати кількість фотонів. За допомогою резонансного резонатора підтримується когерентність фотонів, а інтенсивність світлового променя постійно збільшується.
2. Середній посилення
Theсередній коефіцієнт посилення— це основний матеріал лазера, який визначає посилення фотонів та лазерний вихід. Він є фізичною основою вимушеного випромінювання, а його властивості визначають частоту, довжину хвилі та вихідну потужність лазера. Тип та характеристики середовища посилення безпосередньо впливають на застосування та продуктивність лазера.
Механізм збудженняЕлектрони в середовищі посилення потребують збудження до вищого енергетичного рівня зовнішнім джерелом енергії. Цей процес зазвичай досягається за допомогою зовнішніх систем енергопостачання. Загальні механізми збудження включають:
Електричне насоснеЗбудження електронів у середовищі підсилення шляхом подачі електричного струму.
Оптичне накачуванняЗбудження середовища джерелом світла (наприклад, лампою-спалахом або іншим лазером).
Система енергетичних рівнівЕлектрони в середовищі посилення зазвичай розподілені за певними енергетичними рівнями. Найпоширенішими єдворівневі системиічотирирівневі системиУ простій дворівневій системі електрони переходять з основного стану у збуджений стан, а потім повертаються до основного стану шляхом вимушеного випромінювання. У чотирирівневій системі електрони зазнають складніших переходів між різними енергетичними рівнями, що часто призводить до вищої ефективності.
Типи медіа-систем Gain:
Середній коефіцієнт посилення газуНаприклад, гелій-неонові (He-Ne) лазери. Газові підсилювальні середовища відомі своєю стабільною вихідною потужністю та фіксованою довжиною хвилі та широко використовуються як стандартні джерела світла в лабораторіях.
Рідкий приріст середовищаНаприклад, лазери на барвниках. Молекули барвників мають хороші властивості збудження на різних довжинах хвиль, що робить їх ідеальними для лазерів з можливістю налаштування.
Середній рівень посиленняНаприклад, Nd-лазери (лазери на основі неодимового ітрію та алюмінієвого гранату). Ці лазери є високоефективними та потужними, і широко використовуються в промисловому різанні, зварюванні та медичних застосуваннях.
Напівпровідниковий середній коефіцієнт посиленняНаприклад, матеріали на основі арсеніду галію (GaAs) широко використовуються в комунікаційних та оптоелектронних пристроях, таких як лазерні діоди.
3. Резонаторна порожнина
Theрезонаторна порожнина— це структурний компонент лазера, який використовується для зворотного зв'язку та посилення. Його основна функція полягає у збільшенні кількості фотонів, що утворюються внаслідок вимушеного випромінювання, шляхом відбиття та посилення їх усередині резонатора, таким чином генеруючи сильний та сфокусований лазерний вихід.
Структура резонаторної порожниниЗазвичай він складається з двох паралельних дзеркал. Одне з них — повністю відбивне дзеркало, відоме якдзеркало заднього виду, а інше — частково відбивне дзеркало, відоме яквихідне дзеркалоФотони відбиваються туди-сюди всередині резонатора та посилюються завдяки взаємодії з підсилювальним середовищем.
Резонансна умоваКонструкція резонаторного отвору повинна відповідати певним умовам, таким як забезпечення формування фотонами стоячих хвиль всередині отвору. Це вимагає, щоб довжина отвору була кратною довжині хвилі лазера. Тільки світлові хвилі, що відповідають цим умовам, можуть бути ефективно посилені всередині отвору.
Вихідний проміньЧастково відбивне дзеркало пропускає частину посиленого світлового променя, формуючи вихідний промінь лазера. Цей промінь має високу спрямованість, когерентність та монохроматичність..
Якщо ви хочете дізнатися більше або вас цікавлять лазери, будь ласка, зв'яжіться з нами:
Люміспот
Адреса: Будівля 4, № 99, 3-тя дорога Фуронг, район Сішань, Усі, 214000, Китай
Тел.: + 86-0510 87381808.
Мобільний: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Вебсайт: www.lumispot-tech.com
Час публікації: 18 вересня 2024 р.