Den grundläggande arbetsprincipen för en laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) är baserad på fenomenet stimulerad ljusemission. Genom en serie exakta konstruktioner och strukturer genererar lasrar strålar med hög koherens, monokromatiskhet och ljusstyrka. Lasrar används ofta inom modern teknik, bland annat inom områden som kommunikation, medicin, tillverkning, mätning och vetenskaplig forskning. Deras höga effektivitet och precisa styregenskaper gör dem till kärnkomponenten i många tekniker. Nedan följer en detaljerad förklaring av lasrarnas arbetsprinciper och mekanismerna för olika typer av lasrar.
1. Stimulerad emission
Stimulerad emissionär den grundläggande principen bakom lasergenerering, först föreslagen av Einstein 1917. Detta fenomen beskriver hur mer koherenta fotoner produceras genom interaktionen mellan ljus och materia i exciterat tillstånd. För att bättre förstå stimulerad emission, låt oss börja med spontan emission:
Spontan emissionI atomer, molekyler eller andra mikroskopiska partiklar kan elektroner absorbera extern energi (såsom elektrisk eller optisk energi) och övergå till en högre energinivå, känd som exciterat tillstånd. Elektroner i exciterat tillstånd är dock instabila och kommer så småningom att återgå till en lägre energinivå, känd som grundtillstånd, efter en kort period. Under denna process frigör elektronen en foton, som är spontan emission. Sådana fotoner är slumpmässiga vad gäller frekvens, fas och riktning och saknar därför koherens.
Stimulerad emissionNyckeln till stimulerad emission är att när en elektron i exciterat tillstånd möter en foton med en energi som matchar dess övergångsenergi, kan fotonen få elektronen att återgå till grundtillståndet samtidigt som den frigör en ny foton. Den nya fotonen är identisk med den ursprungliga vad gäller frekvens, fas och utbredningsriktning, vilket resulterar i koherent ljus. Detta fenomen förstärker antalet och energin hos fotoner avsevärt och är kärnmekanismen för lasrar.
Positiv återkopplingseffekt av stimulerad emissionVid konstruktion av lasrar upprepas den stimulerade emissionsprocessen flera gånger, och denna positiva återkopplingseffekt kan exponentiellt öka antalet fotoner. Med hjälp av en resonanshålighet bibehålls fotonernas koherens och ljusstrålens intensitet ökas kontinuerligt.
2. Gain Medium
Deförstärkningsmediumär kärnmaterialet i lasern som bestämmer fotonernas förstärkning och laserns uteffekt. Det är den fysiska grunden för stimulerad emission, och dess egenskaper bestämmer laserns frekvens, våglängd och uteffekt. Förstärkningsmediets typ och egenskaper påverkar direkt laserns tillämpning och prestanda.
ExcitationsmekanismElektroner i förstärkningsmediet behöver exciteras till en högre energinivå av en extern energikälla. Denna process uppnås vanligtvis genom externa energiförsörjningssystem. Vanliga excitationsmekanismer inkluderar:
Elektrisk pumpning: Excitering av elektronerna i förstärkningsmediet genom att applicera en elektrisk ström.
Optisk pumpning: Excitera mediet med en ljuskälla (t.ex. en blixtlampa eller annan laser).
EnerginivåsystemElektroner i förstärkningsmediet är vanligtvis fördelade i specifika energinivåer. De vanligaste ärtvånivåsystemochfyra-nivåsystemI ett enkelt tvånivåsystem övergår elektroner från grundtillstånd till exciterat tillstånd och återgår sedan till grundtillståndet genom stimulerad emission. I ett fyrnivåsystem genomgår elektroner mer komplexa övergångar mellan olika energinivåer, vilket ofta resulterar i högre effektivitet.
Typer av förstärkningsmedia:
GasförstärkningsmediumTill exempel helium-neon (He-Ne) lasrar. Gasförstärkningsmedier är kända för sin stabila uteffekt och fasta våglängd och används ofta som standardljuskällor i laboratorier.
Flytande förstärkningsmediumTill exempel färgämneslasrar. Färgämnesmolekyler har goda excitationsegenskaper över olika våglängder, vilket gör dem idealiska för avstämbara lasrar.
Solid förstärkning MediumTill exempel Nd-lasrar (neodymdopade yttriumaluminiumgranatlasrar). Dessa lasrar är mycket effektiva och kraftfulla och används ofta inom industriell skärning, svetsning och medicinska tillämpningar.
HalvledarförstärkningsmediumTill exempel används galliumarsenid (GaAs)-material i stor utsträckning i kommunikations- och optoelektroniska enheter såsom laserdioder.
3. Resonatorhålighet
Deresonatorhålighetär en strukturell komponent i lasern som används för återkoppling och förstärkning. Dess kärnfunktion är att öka antalet fotoner som produceras genom stimulerad emission genom att reflektera och förstärka dem inuti kaviteten, vilket genererar en stark och fokuserad laserutgång.
Resonatorhålans strukturDen består vanligtvis av två parallella speglar. En är en helt reflekterande spegel, känd sombackspegel, och den andra är en delvis reflekterande spegel, känd somutgångsspegelFotoner reflekteras fram och tillbaka inuti kaviteten och förstärks genom interaktion med förstärkningsmediet.
ResonansvillkorResonatorhålighetens utformning måste uppfylla vissa villkor, såsom att säkerställa att fotoner bildar stående vågor inuti håligheten. Detta kräver att hålighetens längd är en multipel av laserns våglängd. Endast ljusvågor som uppfyller dessa villkor kan förstärkas effektivt inuti håligheten.
UtgångsstråleDen delvis reflekterande spegeln släpper igenom en del av den förstärkta ljusstrålen och bildar laserns utgångsstråle. Denna stråle har hög riktning, koherens och monokromatiskhet..
Om du vill veta mer eller är intresserad av lasrar är du välkommen att kontakta oss:
Lumispot
Adress: Byggnad 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan-distriktet Wuxi, 214000, Kina
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Hemsida: www.lumispot-tech.com
Publiceringstid: 18 sep-2024