Основний принцип роботи лазера (посилення світла шляхом вимушеного випромінювання) заснований на явищі вимушеного випромінювання світла. Завдяки серії точних дизайнів і структур лазери генерують промені з високою когерентністю, монохроматичністю та яскравістю. Лазери широко використовуються в сучасних технологіях, зокрема в таких сферах, як зв’язок, медицина, виробництво, вимірювання та наукові дослідження. Їх висока ефективність і точні характеристики керування роблять їх основним компонентом багатьох технологій. Нижче наведено детальне пояснення принципів роботи лазерів і механізмів різних типів лазерів.
1. Вимушене випромінювання
Вимушене випромінюванняце фундаментальний принцип лазерної генерації, вперше запропонований Ейнштейном у 1917 році. Це явище описує, як більш когерентні фотони утворюються завдяки взаємодії між світлом і речовиною у збудженому стані. Щоб краще зрозуміти стимульоване випромінювання, почнемо зі спонтанного випромінювання:
Спонтанне випромінювання: В атомах, молекулах або інших мікроскопічних частинках електрони можуть поглинати зовнішню енергію (наприклад, електричну або оптичну) і переходити на вищий енергетичний рівень, відомий як збуджений стан. Однак електрони у збудженому стані є нестабільними і через короткий період часу повертаються на нижчий енергетичний рівень, відомий як основний стан. Під час цього процесу електрон вивільняє фотон, який є спонтанним випромінюванням. Такі фотони є випадковими з точки зору частоти, фази та напрямку, і тому їм бракує когерентності.
Вимушене випромінювання: Ключ до стимульованого випромінювання полягає в тому, що коли електрон у збудженому стані стикається з фотоном, енергія якого відповідає його енергії переходу, фотон може спонукати електрон повернутися до основного стану, випускаючи новий фотон. Новий фотон ідентичний вихідному з точки зору частоти, фази та напрямку поширення, що призводить до когерентного світла. Це явище значно збільшує кількість і енергію фотонів і є основним механізмом лазерів.
Ефект позитивного зворотного зв'язку стимульованого випромінювання: У конструкції лазерів процес стимульованого випромінювання повторюється кілька разів, і цей ефект позитивного зворотного зв’язку може експоненціально збільшити кількість фотонів. За допомогою резонансного резонатора підтримується когерентність фотонів, а інтенсивність світлового променя безперервно збільшується.
2. Посилення Середнє
Theпосилення середнєце основний матеріал лазера, який визначає посилення фотонів і лазерний вихід. Це фізична основа вимушеного випромінювання, а його властивості визначають частоту, довжину хвилі та вихідну потужність лазера. Тип і характеристики підсилювального середовища безпосередньо впливають на застосування та продуктивність лазера.
Механізм збудження: Електрони в середовищі підсилення повинні бути збуджені до вищого енергетичного рівня зовнішнім джерелом енергії. Цей процес зазвичай досягається зовнішніми системами енергопостачання. Загальні механізми збудження включають:
Електрична насосна: Збудження електронів у середовищі посилення шляхом застосування електричного струму.
Оптична накачка: Збудження середовища за допомогою джерела світла (наприклад, спалаху або іншого лазера).
Система рівнів енергії: Електрони в середовищі підсилення зазвичай розподіляються на певних енергетичних рівнях. Найпоширенішими єдворівневі системиічотирирівневі системи. У простій дворівневій системі електрони переходять з основного стану в збуджений, а потім повертаються в основний стан через вимушене випромінювання. У чотирирівневій системі електрони зазнають більш складних переходів між різними рівнями енергії, що часто призводить до вищої ефективності.
Типи засобів підсилення:
Gas Gain Середній: Наприклад, гелій-неонові (He-Ne) лазери. Газові підсилювальні середовища відомі своїм стабільним вихідним сигналом і фіксованою довжиною хвилі, і широко використовуються як стандартні джерела світла в лабораторіях.
Liquid Gain Medium: Наприклад, лазери на барвниках. Молекули барвника мають хороші властивості збудження на різних довжинах хвиль, що робить їх ідеальними для регульованих лазерів.
Solid Gain Medium: Наприклад, Nd (легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат) лазери. Ці лазери високоефективні та потужні та широко використовуються в промисловому різанні, зварюванні та медицині.
Середнє підсилення напівпровідника: Наприклад, матеріали з арсеніду галію (GaAs) широко використовуються в комунікаційних та оптоелектронних пристроях, таких як лазерні діоди.
3. Порожнина резонатора
Theрезонаторної порожниниє структурним компонентом лазера, який використовується для зворотного зв'язку та підсилення. Його основна функція полягає в тому, щоб збільшити кількість фотонів, утворених через стимульоване випромінювання, шляхом їх відображення та посилення всередині порожнини, таким чином створюючи потужний і сфокусований вихід лазера.
Будова резонаторної порожнини: зазвичай складається з двох паралельних дзеркал. Одне з них — дзеркало з повним відображенням, відоме якзаднє дзеркало, а інше – частково відбиваюче дзеркало, відоме яквихідне дзеркало. Фотони відбиваються туди-сюди всередині резонатора та посилюються через взаємодію із середовищем посилення.
Умова резонансу: Конструкція порожнини резонатора повинна відповідати певним умовам, наприклад гарантувати, що фотони утворюють стоячі хвилі всередині порожнини. Це вимагає, щоб довжина резонатора була кратною довжині хвилі лазера. Тільки світлові хвилі, які відповідають цим умовам, можуть ефективно посилюватися всередині порожнини.
Вихідний промінь: Частково відбиваюче дзеркало пропускає частину підсиленого світлового променя, утворюючи вихідний промінь лазера. Цей промінь має високу спрямованість, когерентність і монохроматичність.
Якщо ви хочете дізнатися більше або вас цікавлять лазери, зв’яжіться з нами:
Lumispot
Адреса: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Усі, 214000, Китай
Тел.: + 86-0510 87381808.
Моб.: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Веб-сайт: www.lumispot-tech.com
Час публікації: 18 вересня 2024 р