Základný princíp fungovania laseru (zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia) je založený na fenoméne stimulovanej emisie svetla. Prostredníctvom série presných návrhov a štruktúr generujú lasery lúče s vysokou koherenciou, monochromatickosťou a jasom. Lasery sa široko používajú v moderných technológiách, vrátane oblastí ako komunikácia, medicína, výroba, meranie a vedecký výskum. Ich vysoká účinnosť a presné riadiace charakteristiky z nich robia základnú súčasť mnohých technológií. Nižšie je uvedené podrobné vysvetlenie princípov fungovania laserov a mechanizmov rôznych typov laserov.
1. Stimulovaná emisia
Stimulovaná emisiaje základný princíp generovania laserového žiarenia, ktorý prvýkrát navrhol Einstein v roku 1917. Tento jav opisuje, ako vznikajú koherentnejšie fotóny interakciou medzi svetlom a excitovanou hmotou. Pre lepšie pochopenie stimulovanej emisie začnime so spontánnou emisiou:
Spontánna emisiaV atómoch, molekulách alebo iných mikroskopických časticiach môžu elektróny absorbovať vonkajšiu energiu (napríklad elektrickú alebo optickú energiu) a prejsť na vyššiu energetickú hladinu, známu ako excitovaný stav. Elektróny v excitovanom stave sú však nestabilné a po krátkom čase sa nakoniec vrátia na nižšiu energetickú hladinu, známu ako základný stav. Počas tohto procesu elektrón uvoľní fotón, čo je spontánna emisia. Takéto fotóny sú náhodné z hľadiska frekvencie, fázy a smeru, a preto im chýba koherencia.
Stimulovaná emisiaKľúčom k stimulovanej emisii je, že keď elektrón v excitovanom stave narazí na fotón s energiou zodpovedajúcou jeho prechodovej energii, fotón môže vyvolať návrat elektrónu do základného stavu a zároveň uvoľniť nový fotón. Nový fotón je identický s pôvodným, čo sa týka frekvencie, fázy a smeru šírenia, čo vedie ku koherentnému svetlu. Tento jav výrazne zosilňuje počet a energiu fotónov a je základným mechanizmom laserov.
Pozitívna spätná väzba stimulovanej emisiePri konštrukcii laserov sa proces stimulovanej emisie opakuje niekoľkokrát a tento efekt pozitívnej spätnej väzby môže exponenciálne zvýšiť počet fotónov. Pomocou rezonančnej dutiny sa udržiava koherencia fotónov a intenzita svetelného lúča sa neustále zvyšuje.
2. Zisk stredný
Ten/Tá/Tozisk strednýje jadrový materiál v lasere, ktorý určuje zosilnenie fotónov a laserový výstup. Je fyzikálnym základom stimulovanej emisie a jeho vlastnosti určujú frekvenciu, vlnovú dĺžku a výstupný výkon laseru. Typ a vlastnosti zosilňovacieho média priamo ovplyvňujú použitie a výkon laseru.
Mechanizmus excitácieElektróny v zosilňovacom médiu musia byť excitované na vyššiu energetickú hladinu externým zdrojom energie. Tento proces sa zvyčajne dosahuje externými systémami dodávky energie. Medzi bežné mechanizmy excitácie patria:
Elektrické čerpanieExcitácia elektrónov v zosilňovacom médiu aplikáciou elektrického prúdu.
Optické čerpanieExcitácia média svetelným zdrojom (napríklad zábleskovou lampou alebo iným laserom).
Systém energetických hladínElektróny v zosilňovacom médiu sú typicky rozložené v špecifických energetických hladinách. Najbežnejšie súdvojúrovňové systémyaštvorúrovňové systémyV jednoduchom dvojúrovňovom systéme elektróny prechádzajú zo základného stavu do excitovaného stavu a potom sa vracajú do základného stavu stimulovanou emisiou. V štvorúrovňovom systéme elektróny prechádzajú zložitejšími prechodmi medzi rôznymi energetickými hladinami, čo často vedie k vyššej účinnosti.
Typy ziskových médií:
Stredný zisk plynuNapríklad hélium-neónové (He-Ne) lasery. Plynové zosilňovacie médiá sú známe svojím stabilným výstupom a pevnou vlnovou dĺžkou a v laboratóriách sa široko používajú ako štandardné svetelné zdroje.
Stredný zisk tekutínNapríklad farbiace lasery. Molekuly farbív majú dobré excitačné vlastnosti v rôznych vlnových dĺžkach, vďaka čomu sú ideálne pre laditeľné lasery.
Solídny zisk, strednýNapríklad Nd (neodýmom dopované ytriovo-hliníkové granátové) lasery. Tieto lasery sú vysoko účinné a výkonné a široko sa používajú v priemyselnom rezaní, zváraní a medicínskych aplikáciách.
Polovodičové zosilňovacie médiumNapríklad materiály na báze arsenidu gália (GaAs) sa široko používajú v komunikačných a optoelektronických zariadeniach, ako sú laserové diódy.
3. Rezonátorová dutina
Ten/Tá/Torezonančná dutinaje štrukturálny komponent v lasere používaný na spätnú väzbu a zosilnenie. Jeho hlavnou funkciou je zvýšiť počet fotónov produkovaných stimulovanou emisiou ich odrazom a zosilnením vo vnútri dutiny, čím sa generuje silný a zaostrený laserový výstup.
Štruktúra rezonátorovej dutinyZvyčajne sa skladá z dvoch rovnobežných zrkadiel. Jedno je plne reflexné zrkadlo, známe akospätné zrkadloa druhé je čiastočne reflexné zrkadlo, známe akovýstupné zrkadloFotóny sa odrážajú tam a späť v dutine a sú zosilňované interakciou so zosilňovacím médiom.
Rezonančný stavKonštrukcia rezonátorovej dutiny musí spĺňať určité podmienky, ako napríklad zabezpečenie toho, aby fotóny tvorili stojaté vlny vo vnútri dutiny. To vyžaduje, aby dĺžka dutiny bola násobkom vlnovej dĺžky laseru. Vnútri dutiny možno efektívne zosilniť iba svetelné vlny, ktoré spĺňajú tieto podmienky.
Výstupný lúčČiastočne reflexné zrkadlo prepúšťa časť zosilneného svetelného lúča, čím vytvára výstupný lúč laseru. Tento lúč má vysokú smerovosť, koherenciu a monochromatickosť..
Ak sa chcete dozvedieť viac alebo máte záujem o lasery, neváhajte nás kontaktovať:
Lumispot
Adresa: Budova 4 #, č. 99 Furong 3rd Road, okres Xishan, Wuxi, 214000, Čína
Tel.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Webová stránka: www.lumispot-tech.com
Čas uverejnenia: 18. septembra 2024