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, monokromaticitet och ljusstyrka. Lasrar används i stor utsträckning inom modern teknik, inklusive inom områden som kommunikation, medicin, tillverkning, mätning och vetenskaplig forskning. Deras höga effektivitet och exakta kontrollegenskaper 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, som först föreslogs 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 emission: I atomer, molekyler eller andra mikroskopiska partiklar kan elektroner absorbera extern energi (som elektrisk eller optisk energi) och övergå till en högre energinivå, känd som exciterat tillstånd. Emellertid är elektroner i exciterade tillstånd instabila och kommer så småningom att återgå till en lägre energinivå, känd som grundtillståndet, efter en kort period. Under denna process frigör elektronen en foton, som är spontan emission. Sådana fotoner är slumpmässiga när det gäller frekvens, fas och riktning och saknar därför koherens.
Stimulerad emission: Nyckeln till stimulerad emission är att när en elektron i exciterat tillstånd möter en foton med en energi som matchar dess övergångsenergi, kan fotonen uppmana elektronen att återgå till grundtillståndet samtidigt som den släpper en ny foton. Den nya fotonen är identisk med den ursprungliga när det gäller frekvens, fas och utbredningsriktning, vilket resulterar i koherent ljus. Detta fenomen förstärker avsevärt antalet och energin hos fotoner och är lasrarnas kärnmekanism.
Positiv feedback Effekt av stimulerad emission: Vid konstruktionen av lasrar upprepas den stimulerade emissionsprocessen flera gånger, och denna positiva återkopplingseffekt kan exponentiellt öka antalet fotoner. Med hjälp av en resonanshålighet upprätthålls fotonernas koherens, och ljusstrålens intensitet ökas kontinuerligt.
2. Vinst medellång
Devinst mediumär kärnmaterialet i lasern som bestämmer förstärkningen av fotoner och laserutgången. Det är den fysiska grunden för stimulerad emission, och dess egenskaper bestämmer laserns frekvens, våglängd och uteffekt. Typen och egenskaperna hos förstärkningsmediet påverkar direkt tillämpningen och prestanda för lasern.
Exciteringsmekanism: Elektroner i förstärkningsmediet måste exciteras till en högre energinivå av en extern energikälla. Denna process uppnås vanligtvis av externa energiförsörjningssystem. Vanliga excitationsmekanismer inkluderar:
Elektrisk pumpning: Excitering av elektronerna i förstärkningsmediet genom att applicera en elektrisk ström.
Optisk pumpning: Spänna mediet med en ljuskälla (som en blixtlampa eller annan laser).
Energinivåsystem: Elektroner i förstärkningsmediet är vanligtvis fördelade i specifika energinivåer. De vanligaste ärtvånivåsystemochfyra nivåer. I ett enkelt tvånivåsystem övergår elektroner från grundtillståndet till exciterat tillstånd och återgår sedan till grundtillståndet genom stimulerad emission. I ett fyranivåsystem genomgår elektroner mer komplexa övergångar mellan olika energinivåer, vilket ofta resulterar i högre effektivitet.
Typer av Gain Media:
Gasförstärkning medelhög: Till exempel helium-neon (He-Ne) lasrar. Gasförstärkningsmedier är kända för sin stabila effekt och fasta våglängd, och används ofta som standardljuskällor i laboratorier.
Liquid Gain Medium: Till exempel färglaser. Färgämnesmolekyler har goda excitationsegenskaper över olika våglängder, vilket gör dem idealiska för avstämbara lasrar.
Solid Gain Medium: Till exempel Nd-lasrar (neodymdopad yttrium aluminium granat). Dessa lasrar är mycket effektiva och kraftfulla och används ofta i industriell skärning, svetsning och medicinska tillämpningar.
Halvledarförstärkning medium: Till exempel används galliumarsenid (GaAs) material i stor utsträckning i kommunikation och optoelektroniska enheter som 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 och på så sätt generera en stark och fokuserad laserutgång.
Resonatorkavitetens struktur: Den består vanligtvis av två parallella speglar. Den ena är en helt reflekterande spegel, känd sombakspegel, och den andra är en delvis reflekterande spegel, känd somutgångsspegel. Fotoner reflekteras fram och tillbaka i kaviteten och förstärks genom interaktion med förstärkningsmediet.
Resonanstillstånd: Utformningen av resonatorkaviteten måste uppfylla vissa villkor, som att säkerställa att fotoner bildar stående vågor inuti kaviteten. Detta kräver att kavitetslängden är en multipel av laservåglängden. Endast ljusvågor som uppfyller dessa villkor kan effektivt förstärkas inuti kaviteten.
Utgångsstråle: Den delvis reflekterande spegeln tillåter en del av den förstärkta ljusstrålen att passera igenom och bildar laserns utgående stråle. Denna stråle har hög riktning, koherens och monokromaticitet.
Om du vill lära dig mer eller är intresserad av laser, är du välkommen att kontakta oss:
Lumispot
Adress: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Kina
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Webbplats: www.lumispot-tech.com
Posttid: 18 september 2024