Основният принцип на работа на лазера (усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация) се основава на феномена на стимулирано излъчване на светлина. Чрез серия от прецизни проекти и структури, лазерите генерират лъчи с висока кохерентност, монохроматичност и яркост. Лазерите се използват широко в съвременните технологии, включително в области като комуникациите, медицината, производството, измерванията и научните 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 възбудената материя. За да разберем по-добре стимулираното излъчване, нека започнем със спонтанното излъчване:
Спонтанно излъчванеВ атомите, молекулите или други микроскопични частици електроните могат да абсорбират външна енергия (като електрическа или оптична енергия) и да преминат на по-високо енергийно ниво, известно като възбудено състояние. Електроните във възбудено състояние обаче са нестабилни и в крайна сметка ще се върнат на по-ниско енергийно ниво, известно като основно състояние, след кратък период. По време на този процес електронът освобождава фотон, което е спонтанно излъчване. Такива фотони са произволни по отношение на честота, фаза и посока и следователно нямат кохерентност.
Стимулирана емисияКлючът към стимулираната емисия е, че когато електрон във възбудено състояние срещне фотон с енергия, съответстваща на енергията на прехода му, фотонът може да го подтикне да се върне в основно състояние, като същевременно освободи 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 усилва броя и енергията на фотоните и е основният механизъм на лазерите.
Ефект на положителна обратна връзка от стимулираната емисияПри проектирането на лазери процесът на стимулирана емисия 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. Средно усилване
Theсредно усилванее основният материал в лазера, който определя усилването на фотоните и лазерния изход. Той е физическата основа за стимулираното излъчване, а неговите свойства определят честотата, дължината на вълната и изходната мощност на лазера. Видът и характеристиките на усилващата среда пряко влияят върху приложението и производителността на лазера.
Механизъм на възбужданеЕлектроните 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. Често срещани механизми на възбуждане включват:
Електрическо изпомпванеВъзбуждане на електроните в усилващата среда чрез прилагане на електрически ток.
Оптично изпомпванеВъзбуждане на средата със светлинен източник (като например светкавица или друг лазер).
Система за енергийни ниваЕлектроните в усилващата среда обикновено са разпределени в специфични енергийни нива. Най-често срещаните садвустепенни системиичетиристепенни системиВ проста двустепенна система електроните преминават от основно състояние във възбудено състояние и след това се връщат в основно състояние чрез стимулирана емисия. В четиристепенна система електроните претърпяват по-сложни преходи между различни енергийни нива, което често води до по-висока ефективност.
Видове медии за усилване:
Средно усилване на газаНапример, хелий-неонови (He-Ne) лазери. Газовите усилващи среди са известни със стабилната си мощност и фиксирана дължина на вълната и се използват широко като стандартни източници на светлина в лаборатории.
Среден за усилване на течносттаНапример, лазери с багрила. Молекулите на багрилата имат добри свойства на възбуждане при различни дължини на вълната, което ги прави идеални за настройваеми лазери.
Средно усилванеНапример, Nd (неодим-легиран итриево-алуминиев гранат) лазери. Тези лазери са високоефективни и мощни и се използват широко в промишленото рязане, заваряване и медицински приложения.
Полупроводникова среда за усилванеНапример, материалите от галиев арсенид (GaAs) се използват широко в комуникационни и оптоелектронни устройства, като например лазерни диоди.
3. Резонаторна кухина
Theрезонаторна кухинае структурен компонент в лазера, използван за обратна връзка и усилване. Основната му функция е да увеличи броя на фотоните, произведени чрез стимулирано излъчване, като ги отразява и усилва вътре в резонатора, като по този начин генерира силен и фокусиран лазерен изход.
Структура на резонаторната кухинаОбикновено се състои от две успоредни огледала. Едното е напълно отразяващо огледало, известно катоогледало за обратно виждане, а другото е частично отразяващо огледало, известно катоизходно огледалоФотоните се отразяват напред-назад в кухината и се усилват чрез взаимодействие с усилващата среда.
Резонансно условиеДизайнът на резонаторната кухина трябва да отговаря на определени условия, като например осигуряване на образуването на стоящи вълни от фотоните вътре в кухината. Това изисква дължината на кухината да е кратна на дължината на вълната на лазера. Само светлинните вълни, които отговарят на тези условия, могат да бъдат ефективно усилени вътре в кухината.
Изходен лъчЧастично отразяващото огледало позволява на част от усилвания 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:
Лумиспот
Адрес: Сграда 4 #, No.99 Furong 3rd Road, район Xishan, 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.