Den grundläggande arbetsprincipen för en laser (ljusförstärkning genom stimulerad utsläpp av strålning) är baserad på fenomenet stimulerat ljusutsläpp. Genom en serie exakta mönster och strukturer genererar lasrar balkar med hög koherens, monokromatiskhet och ljusstyrka. Lasrar används allmänt 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 arbetsprinciperna för lasrar och mekanismerna för olika typer av lasrar.
1. Stimulerat utsläpp
Stimulerad utsläppär den grundläggande principen bakom lasergenerering, som först föreslogs av Einstein 1917. Detta fenomen beskriver hur mer sammanhängande fotoner produceras genom samspelet mellan ljus och upphetsad tillstånd. För att bättre förstå stimulerade utsläpp, låt oss börja med spontan utsläpp:
Spontan utsläpp: I atomer, molekyler eller andra mikroskopiska partiklar kan elektroner absorbera yttre energi (såsom elektrisk eller optisk energi) och övergång till en högre energinivå, känd som det upphetsade tillståndet. Emellertid är upphetsade tillstånd elektroner instabila och kommer så småningom att återgå till en lägre energinivå, känd som marktillståndet, efter en kort period. Under denna process släpper elektronen en foton, som är spontan utsläpp. Sådana fotoner är slumpmässiga när det gäller frekvens, fas och riktning och därmed saknar sammanhållning.
Stimulerad utsläpp: Nyckeln till stimulerad emission är att när en upphetsad tillstånd elektron möter en foton med en energi som matchar sin övergångsenergi, kan fotonen få elektronen att återgå till marktillståndet medan man släpper en ny foton. Den nya fotonen är identisk med den ursprungliga när det gäller frekvens-, fas- och förökningsriktning, vilket resulterar i sammanhängande ljus. Detta fenomen förstärker fotonernas antal och energi och är kärnmekanismen för lasrar.
Positiv återkopplingseffekt av stimulerad utsläpp: I utformningen av lasrar upprepas den stimulerade utsläppsprocessen flera gånger, och denna positiva återkopplingseffekt kan exponentiellt öka antalet fotoner. Med hjälp av en resonanskavitet upprätthålls fotonernas sammanhang och intensiteten hos ljusstrålen ökas kontinuerligt.
2. Få medium
Defå mediumär kärnmaterialet i lasern som bestämmer amplifiering av fotoner och laserutgången. Det är den fysiska grunden för stimulerad utsläpp, och dess egenskaper bestämmer laserens frekvens, våglängd och utgångseffekt. Typen och egenskaperna hos förstärkningsmediet påverkar direkt laserens tillämpning och prestanda.
Excitationsmekanism: Elektroner i förstärkningsmediet måste vara upphetsad till en högre energinivå av en extern energikälla. Denna process uppnås vanligtvis av externa energiförsörjningssystem. Vanliga excitationsmekanismer inkluderar:
Elektrisk pumpning: Spännande elektronerna i förstärkningsmediet genom att applicera en elektrisk ström.
Optisk pumpning: Spännande mediet med en ljuskälla (till exempel en flash -lampa eller en annan laser).
Energinivåer: Elektroner i förstärkningsmediet fördelas vanligtvis i specifika energinivåer. De vanligaste ärtvånivåsystemochfyra på fyra nivåer. I ett enkelt system på två nivåer övergår elektroner från marktillståndet till det upphetsade tillståndet och återgår sedan till marktillståndet genom stimulerad utsläpp. I ett fyra-nivå-system genomgår elektroner mer komplexa övergångar mellan olika energinivåer, vilket ofta resulterar i högre effektivitet.
Typer av förstärkning:
Gasförstärkningsmedium: Till exempel Helium-Neon (He-Ne) lasrar. Gasförstärkningsmedier är kända för sin stabila utgång och fast våglängd och används allmänt som standardljuskällor i laboratorier.
Flytande förstärkningsmedium: Till exempel färgämneslasrar. Färgmolekyler har goda excitationsegenskaper över olika våglängder, vilket gör dem idealiska för inställbara lasrar.
Solid Gain Medium: Till exempel ND (Neodymium-Doped Yttrium aluminium granat) lasrar. Dessa lasrar är mycket effektiva och kraftfulla och används allmänt vid industriell skärning, svetsning och medicinska tillämpningar.
Halvledarförstärkningsmedium: Till exempel används galliumarsenidmaterial (GAAS) i allmänhet i kommunikation och optoelektroniska enheter såsom laserdioder.
3. Resonatorhålan
Deresonatorhålighetär en strukturell komponent i lasern som används för feedback och amplifiering. Dess kärnfunktion är att förbättra antalet fotoner som produceras genom stimulerad emission genom att reflektera och förstärka dem inuti kaviteten och därmed generera en stark och fokuserad laserutgång.
Resonatorns struktur: Det består vanligtvis av två parallella speglar. En är en helt reflekterande spegel, känd sombakspegeloch den andra är en delvis reflekterande spegel, känd somutgångsspegel. Fotoner reflekterar fram och tillbaka inom kaviteten och förstärks genom interaktion med förstärkningsmediet.
Resonans: Utformningen av resonatorhålan måste uppfylla vissa förhållanden, till exempel att säkerställa att fotoner bildar stående vågor inuti kaviteten. Detta kräver att kavitetslängden är en multipel av laservåglängden. Endast ljusvågor som uppfyller dessa förhållanden kan förstärkas effektivt inuti kaviteten.
Utsläppbalk: Den delvis reflekterande spegeln tillåter en del av den förstärkta ljusstrålen att passera genom och bilda lasers utgångsstråle. Denna stråle har hög riktning, sammanhållning och monokromatiskhet.
Om du vill lära dig mer eller är intresserad av lasrar, vänligen 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: september 18-2024