Základný pracovný princíp lasera (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je založený na fenoméne stimulovanej emisie svetla. Prostredníctvom série presných dizajnov a štruktúr generujú lasery lúče s vysokou koherenciou, monochromatickosťou a jasom. Lasery sú široko používané v moderných technológiách, a to aj v oblastiach 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 základným princípom generovania lasera, ktorý prvýkrát navrhol Einstein v roku 1917. Tento jav popisuje, ako sa vytvárajú koherentnejšie fotóny prostredníctvom interakcie medzi svetlom a látkou v excitovanom stave. Aby sme lepšie porozumeli stimulovanej emisii, začnime spontánnou emisiou:
Spontánna emisia: V 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 nakoniec sa po krátkom čase vrátia na nižšiu energetickú hladinu, známu ako základný stav. Počas tohto procesu elektrón uvoľňuje fotón, čo je spontánna emisia. Takéto fotóny sú náhodné z hľadiska frekvencie, fázy a smeru, a preto im chýba koherencia.
Stimulovaná emisia: Kľúčom k stimulovanej emisii je to, že keď elektrón v excitovanom stave narazí na fotón s energiou zodpovedajúcou jeho prechodovej energii, fotón môže prinútiť elektrón, aby sa vrátil do základného stavu a zároveň uvoľnil nový fotón. Nový fotón je totožný s pôvodným z hľadiska frekvencie, fázy a smeru šírenia, výsledkom čoho je koherentné svetlo. Tento jav výrazne zosilňuje počet a energiu fotónov a je základným mechanizmom laserov.
Vplyv pozitívnej spätnej väzby stimulovanej emisie: Pri navrhovaní laserov sa proces stimulovanej emisie opakuje viackrát a tento pozitívny spätnoväzbový efekt môže exponenciálne zvýšiť počet fotónov. Pomocou rezonančnej dutiny sa udržuje koherencia fotónov a intenzita svetelného lúča sa neustále zvyšuje.
2. Stredný zisk
Thezískať strednýje materiál jadra v laseri, ktorý určuje zosilnenie fotónov a výstup lasera. Je to fyzikálny základ pre stimulovanú emisiu a jej vlastnosti určujú frekvenciu, vlnovú dĺžku a výstupný výkon lasera. Typ a vlastnosti zosilňovacieho média priamo ovplyvňujú použitie a výkon lasera.
Excitačný mechanizmus: Elektróny v zosilňovacom médiu musia byť excitované na vyššiu energetickú hladinu externým zdrojom energie. Tento proces sa zvyčajne dosahuje externými systémami zásobovania energiou. Bežné excitačné mechanizmy zahŕňajú:
Elektrické čerpanie: Budenie elektrónov v zosilňovacom médiu aplikáciou elektrického prúdu.
Optické čerpanie: Vybudenie média zdrojom svetla (napríklad bleskom alebo iným laserom).
Systém energetických hladín: Elektróny v zosilňovacom médiu sú typicky distribuované v špecifických energetických hladinách. Najbežnejšie súdvojúrovňové systémyaštvorúrovňové systémy. V jednoduchom dvojúrovňovom systéme prechádzajú elektróny zo základného stavu do excitovaného stavu a potom sa vracajú do základného stavu prostredníctvom stimulovanej emisie. V štvorúrovňovom systéme podstupujú elektróny zložitejšie prechody medzi rôznymi energetickými úrovňami, čo často vedie k vyššej účinnosti.
Typy ziskových médií:
Zisk plynu Stredný: Napríklad hélium-neónové (He-Ne) lasery. Médiá na zisk plynu sú známe svojim stabilným výstupom a pevnou vlnovou dĺžkou a sú široko používané ako štandardné svetelné zdroje v laboratóriách.
Stredný zisk kvapaliny: Napríklad farbiace lasery. Molekuly farbiva majú dobré excitačné vlastnosti naprieč rôznymi vlnovými dĺžkami, vďaka čomu sú ideálne pre laditeľné lasery.
Pevný zisk Stredný: Napríklad Nd (neodymom dopovaný ytrium-hliníkový granát) lasery. Tieto lasery sú vysoko účinné a výkonné a sú široko používané v priemyselnom rezaní, zváraní a medicínskych aplikáciách.
Stredný zisk polovodiča: Napríklad materiály arzenidu gália (GaAs) sú široko používané v komunikačných a optoelektronických zariadeniach, ako sú laserové diódy.
3. Dutina rezonátora
Thedutina rezonátoraje štrukturálny komponent v laseri používanom na spätnú väzbu a zosilnenie. Jeho hlavnou funkciou je zvýšiť počet fotónov produkovaných stimulovanou emisiou ich odrazom a zosilnením vo vnútri dutiny, čím sa vytvorí silný a sústredený laserový výstup.
Štruktúra dutiny rezonátora: Zvyčajne sa skladá z dvoch paralelných zrkadiel. Jedným z nich je plne reflexné zrkadlo, známe akozadné zrkadlo, a druhé je čiastočne reflexné zrkadlo, známe akovýstupné zrkadlo. Fotóny sa odrážajú tam a späť v dutine a sú zosilnené interakciou so ziskovým médiom.
Rezonančný stav: Konštrukcia dutiny rezonátora musí spĺňať určité podmienky, ako napríklad zabezpečiť, aby fotóny tvorili stojaté vlny vo vnútri dutiny. To vyžaduje, aby dĺžka dutiny bola násobkom vlnovej dĺžky lasera. Iba svetelné vlny, ktoré spĺňajú tieto podmienky, môžu byť efektívne zosilnené vo vnútri dutiny.
Výstupný lúč: Čiastočne reflexné zrkadlo umožňuje prechod časti zosilneného svetelného lúča, čím sa vytvorí výstupný lúč lasera. 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, Xishan Dist. Wuxi, 214 000, Čína
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Webstránka: www.lumispot-tech.com
Čas odoslania: 18. september 2024