Основният принцип на работа на лазера (усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация) се основава на явлението стимулирано излъчване на светлина. Чрез серия от прецизни дизайни и структури, лазерите генерират лъчи с висока кохерентност, монохроматичност и яркост. Лазерите се използват широко в съвременните технологии, включително в области като комуникация, медицина, производство, измерване и научни изследвания. Тяхната висока ефективност и прецизни контролни характеристики ги правят основен компонент на много технологии. По-долу е дадено подробно обяснение на принципите на работа на лазерите и механизмите на различните видове лазери.
1. Стимулирана емисия
Стимулирана емисияе основният принцип зад лазерното генериране, предложен за първи път от Айнщайн през 1917 г. Това явление описва как се произвеждат по-кохерентни фотони чрез взаимодействието между светлината и материята във възбудено състояние. За да разберем по-добре стимулираната емисия, нека започнем със спонтанната емисия:
Спонтанно излъчване: В атоми, молекули или други микроскопични частици електроните могат да абсорбират външна енергия (като електрическа или оптична енергия) и да преминат към по-високо енергийно ниво, известно като възбудено състояние. Електроните във възбудено състояние обаче са нестабилни и в крайна сметка ще се върнат към по-ниско енергийно ниво, известно като основно състояние, след кратък период. По време на този процес електронът освобождава фотон, който е спонтанна емисия. Такива фотони са произволни по отношение на честота, фаза и посока и следователно им липсва кохерентност.
Стимулирана емисия: Ключът към стимулираното излъчване е, че когато електрон във възбудено състояние срещне фотон с енергия, съответстваща на неговата енергия на преход, фотонът може да подтикне електрона да се върне в основното състояние, докато освобождава нов фотон. Новият фотон е идентичен с оригиналния по отношение на честота, фаза и посока на разпространение, което води до кохерентна светлина. Това явление значително увеличава броя и енергията на фотоните и е основният механизъм на лазерите.
Ефект на положителна обратна връзка от стимулирана емисия: При проектирането на лазери процесът на стимулирано излъчване се повтаря многократно и този ефект на положителна обратна връзка може експоненциално да увеличи броя на фотоните. С помощта на резонансна кухина се поддържа кохерентността на фотоните и интензитетът на светлинния лъч непрекъснато се увеличава.
2. Средна печалба
Theпечалба средное основният материал в лазера, който определя усилването на фотоните и лазерния изход. Това е физическата основа за стимулирано излъчване и неговите свойства определят честотата, дължината на вълната и изходната мощност на лазера. Типът и характеристиките на усилващата среда пряко влияят върху приложението и работата на лазера.
Механизъм на възбуждане: Електроните в усилващата среда трябва да бъдат възбудени до по-високо енергийно ниво от външен източник на енергия. Този процес обикновено се постига чрез външни системи за захранване с енергия. Общите механизми на възбуждане включват:
Електрическо изпомпване: Възбуждане на електроните в усилващата среда чрез прилагане на електрически ток.
Оптично изпомпване: Възбуждане на средата с източник на светлина (като светкавица или друг лазер).
Система за енергийни нива: Електроните в усилващата среда обикновено се разпределят в специфични енергийни нива. Най-често срещаните садвустепенни системиичетиристепенни системи. В проста двустепенна система електроните преминават от основно състояние към възбудено състояние и след това се връщат в основното състояние чрез стимулирано излъчване. В система с четири нива електроните претърпяват по-сложни преходи между различни енергийни нива, което често води до по-висока ефективност.
Видове усилващи медии:
Средно усилване на газ: Например хелиево-неонови (He-Ne) лазери. Средите за усилване на газ са известни със своя стабилен изход и фиксирана дължина на вълната и се използват широко като стандартни източници на светлина в лабораториите.
Средно усилване на течността: Например багрилни лазери. Молекулите на багрилото имат добри свойства на възбуждане при различни дължини на вълната, което ги прави идеални за регулируеми лазери.
Solid Gain Medium: Например Nd (итриев алуминиев гранат с добавка на неодим) лазери. Тези лазери са високоефективни и мощни и се използват широко в индустриално рязане, заваряване и медицински приложения.
Средно усилване на полупроводника: Например, материалите от галиев арсенид (GaAs) се използват широко в комуникационни и оптоелектронни устройства като лазерни диоди.
3. Резонаторна кухина
Theрезонаторна кухинае структурен компонент в лазера, използван за обратна връзка и усилване. Неговата основна функция е да увеличи броя на фотоните, произведени чрез стимулирано излъчване, като ги отразява и усилва вътре в кухината, като по този начин генерира силен и фокусиран лазерен изход.
Структура на резонаторната кухина: Обикновено се състои от две успоредни огледала. Едното е напълно отразяващо огледало, известно катозадно огледало, а другото е частично отразяващо огледало, известно катоизходно огледало. Фотоните се отразяват напред-назад в кухината и се усилват чрез взаимодействие с усилващата среда.
Резонансно състояние: Дизайнът на резонаторната кухина трябва да отговаря на определени условия, като например да гарантира, че фотоните образуват стоящи вълни вътре в кухината. Това изисква дължината на кухината да бъде кратна на дължината на вълната на лазера. Само светлинни вълни, които отговарят на тези условия, могат да бъдат ефективно усилени вътре в кухината.
Изходен лъч: Частично отразяващото огледало позволява на част от усиления светлинен лъч да премине, образувайки изходния лъч на лазера. Този лъч има висока насоченост, кохерентност и монохроматичност.
Ако искате да научите повече или се интересувате от лазери, моля не се колебайте да се свържете с нас:
Lumispot
Адрес: Сграда 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Китай
Тел.: + 86-0510 87381808.
Мобилен: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Уебсайт: www.lumispot-tech.com
Време на публикуване: 18 септември 2024 г