Det grunnleggende arbeidsprinsippet til en laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) er basert på fenomenet stimulert emisjon av lys. Gjennom en rekke presise design og strukturer genererer lasere stråler med høy koherens, monokromaticitet og lysstyrke. Lasere er mye brukt i moderne teknologi, inkludert i felt som kommunikasjon, medisin, produksjon, måling og vitenskapelig forskning. Deres høye effektivitet og presise kontrollegenskaper gjør dem til kjernekomponenten i mange teknologier. Nedenfor er en detaljert forklaring av arbeidsprinsippene til lasere og mekanismene til forskjellige typer lasere.
1. Stimulert utslipp
Stimulert utslipper det grunnleggende prinsippet bak lasergenerering, først foreslått av Einstein i 1917. Dette fenomenet beskriver hvordan mer koherente fotoner produseres gjennom interaksjonen mellom lys og materie i eksitert tilstand. For bedre å forstå stimulert utslipp, la oss starte med spontan utslipp:
Spontan emisjon: I atomer, molekyler eller andre mikroskopiske partikler kan elektroner absorbere ekstern energi (som elektrisk eller optisk energi) og gå over til et høyere energinivå, kjent som eksitert tilstand. Imidlertid er elektroner i eksiterte tilstander ustabile og vil til slutt gå tilbake til et lavere energinivå, kjent som grunntilstanden, etter en kort periode. Under denne prosessen frigjør elektronet et foton, som er spontan emisjon. Slike fotoner er tilfeldige når det gjelder frekvens, fase og retning, og mangler dermed sammenheng.
Stimulert utslipp: Nøkkelen til stimulert emisjon er at når et elektron i eksitert tilstand møter et foton med en energi som matcher overgangsenergien, kan fotonet få elektronet til å gå tilbake til grunntilstanden mens det frigjør et nytt foton. Det nye fotonet er identisk med det opprinnelige når det gjelder frekvens, fase og forplantningsretning, noe som resulterer i sammenhengende lys. Dette fenomenet forsterker antallet og energien til fotoner betydelig og er kjernemekanismen til lasere.
Positiv tilbakemeldingseffekt av stimulert utslipp: I utformingen av lasere gjentas den stimulerte emisjonsprosessen flere ganger, og denne positive tilbakekoblingseffekten kan eksponentielt øke antallet fotoner. Ved hjelp av et resonanshulrom opprettholdes koherensen av fotoner, og intensiteten til lysstrålen økes kontinuerlig.
2. Gain Medium
Defå middelser kjernematerialet i laseren som bestemmer forsterkningen av fotoner og laserutgangen. Det er det fysiske grunnlaget for stimulert emisjon, og dets egenskaper bestemmer frekvensen, bølgelengden og utgangseffekten til laseren. Typen og egenskapene til forsterkningsmediet påvirker direkte bruken og ytelsen til laseren.
Eksitasjonsmekanisme: Elektroner i forsterkningsmediet må eksiteres til et høyere energinivå av en ekstern energikilde. Denne prosessen oppnås vanligvis av eksterne energiforsyningssystemer. Vanlige eksitasjonsmekanismer inkluderer:
Elektrisk pumping: Eksitere elektronene i forsterkningsmediet ved å påføre en elektrisk strøm.
Optisk pumping: Begeistre mediet med en lyskilde (som en blitslampe eller en annen laser).
Energinivåsystem: Elektroner i forsterkningsmediet er vanligvis fordelt i spesifikke energinivåer. De vanligste erto-nivå systemerogfire-nivå systemer. I et enkelt to-nivå system går elektroner over fra grunntilstanden til den eksiterte tilstanden og går deretter tilbake til grunntilstanden gjennom stimulert emisjon. I et fire-nivå system gjennomgår elektroner mer komplekse overganger mellom ulike energinivåer, noe som ofte resulterer i høyere effektivitet.
Typer Gain Media:
Gassforsterkning middels: For eksempel helium-neon (He-Ne) lasere. Gassforsterkningsmedier er kjent for sin stabile utgang og faste bølgelengde, og er mye brukt som standard lyskilder i laboratorier.
Flytende forsterkning medium: For eksempel fargelasere. Fargestoffmolekyler har gode eksitasjonsegenskaper over forskjellige bølgelengder, noe som gjør dem ideelle for avstembare lasere.
Solid Gain Medium: For eksempel Nd (neodym-dopet yttrium aluminium granat) lasere. Disse laserne er svært effektive og kraftige, og er mye brukt i industriell skjæring, sveising og medisinske applikasjoner.
Halvlederforsterkning middels: For eksempel er galliumarsenid (GaAs)-materialer mye brukt i kommunikasjon og optoelektroniske enheter som laserdioder.
3. Resonatorhulrom
Deresonatorhulromer en strukturell komponent i laseren som brukes til tilbakemelding og forsterkning. Dens kjernefunksjon er å øke antallet fotoner produsert gjennom stimulert emisjon ved å reflektere og forsterke dem inne i hulrommet, og dermed generere en sterk og fokusert laserutgang.
Strukturen til resonatorhulen: Den består vanligvis av to parallelle speil. Det ene er et fullt reflekterende speil, kjent sombakspeil, og den andre er et delvis reflekterende speil, kjent somutgangsspeil. Fotoner reflekteres frem og tilbake i hulrommet og forsterkes gjennom interaksjon med forsterkningsmediet.
Resonanstilstand: Utformingen av resonatorhulrommet må oppfylle visse betingelser, som for eksempel å sikre at fotoner danner stående bølger inne i hulrommet. Dette krever at hulromslengden er et multiplum av laserbølgelengden. Bare lysbølger som oppfyller disse betingelsene kan effektivt forsterkes inne i hulrommet.
Utgangsstråle: Det delvis reflekterende speilet lar en del av den forsterkede lysstrålen passere gjennom, og danner laserens utgangsstråle. Denne strålen har høy retningsevne, koherens og monokromaticitet.
Hvis du ønsker å lære mer eller er interessert i laser, kan du gjerne kontakte oss:
Lumispot
Adresse: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Kina
Tlf: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Nettsted: www.lumispot-tech.com
Innleggstid: 18. september 2024