Det grunnleggende arbeidsprinsippet til en laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) er basert på fenomenet stimulert lysutslipp. Gjennom en rekke presise design og strukturer genererer lasere stråler med høy koherens, monokromatiskhet og lysstyrke. Lasere er mye brukt i moderne teknologi, inkludert innen 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 emisjon
Stimulert emisjoner det grunnleggende prinsippet bak lasergenerering, først foreslått av Einstein i 1917. Dette fenomenet beskriver hvordan mer koherente fotoner produseres gjennom samspillet mellom lys og eksitert tilstand. For å bedre forstå stimulert emisjon, la oss starte med spontan emisjon:
Spontan emisjonI 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. Eksiterte elektroner er imidlertid ustabile og vil etter kort tid gå tilbake til et lavere energinivå, kjent som grunntilstand. 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 koherens.
Stimulert emisjonNøkkelen til stimulert emisjon er at når et elektron i eksitert tilstand møter et foton med en energi som samsvarer med overgangsenergien, kan fotonet få elektronet til å gå tilbake til grunntilstanden samtidig som det frigjør et nytt foton. Det nye fotonet er identisk med det opprinnelige når det gjelder frekvens, fase og forplantningsretning, noe som resulterer i koherent lys. Dette fenomenet forsterker antallet og energien til fotoner betydelig, og er kjernemekanismen til lasere.
Positiv tilbakekoblingseffekt av stimulert emisjonI design av lasere gjentas den stimulerte emisjonsprosessen flere ganger, og denne positive tilbakekoblingseffekten kan øke antallet fotoner eksponentielt. Ved hjelp av et resonant hulrom opprettholdes koherensen til fotonene, og intensiteten til lysstrålen økes kontinuerlig.
2. Gain Medium
Deforsterkningsmediumer kjernematerialet i laseren som bestemmer forsterkningen av fotoner og laserutgangen. Det er det fysiske grunnlaget for stimulert emisjon, og egenskapene bestemmer laserens frekvens, bølgelengde og utgangseffekt. Type og egenskaper til forsterkningsmediet påvirker direkte laserens anvendelse og ytelse.
EksitasjonsmekanismeElektroner i forsterkningsmediet må eksiteres til et høyere energinivå av en ekstern energikilde. Denne prosessen oppnås vanligvis ved hjelp av eksterne energiforsyningssystemer. Vanlige eksitasjonsmekanismer inkluderer:
Elektrisk pumping: Eksitering av elektronene i forsterkningsmediet ved å påføre en elektrisk strøm.
Optisk pumping: Eksitere mediet med en lyskilde (for eksempel en blitzlampe eller en annen laser).
EnerginivåsystemElektroner i forsterkningsmediet er vanligvis fordelt i spesifikke energinivåer. De vanligste erto-nivå systemerogfire-nivå systemerI et enkelt to-nivåsystem går elektronene over fra grunntilstand til eksitert tilstand og går deretter tilbake til grunntilstand gjennom stimulert emisjon. I et fire-nivåsystem gjennomgår elektronene mer komplekse overganger mellom forskjellige energinivåer, noe som ofte resulterer i høyere effektivitet.
Typer av forsterkningsmedier:
Gassforsterkning mediumFor 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 mediumFor eksempel fargelasere. Fargemolekyler har gode eksitasjonsegenskaper på tvers av forskjellige bølgelengder, noe som gjør dem ideelle for avstemmbare lasere.
Solid forsterkning MediumFor eksempel Nd-lasere (neodym-dopet yttriumaluminiumgranat). Disse laserne er svært effektive og kraftige, og brukes mye i industriell skjæring, sveising og medisinske applikasjoner.
Halvlederforsterkning mediumFor eksempel er galliumarsenid (GaAs)-materialer mye brukt i kommunikasjons- og optoelektroniske enheter som laserdioder.
3. Resonatorhulrom
Deresonatorhulrommeter en strukturell komponent i laseren som brukes til tilbakekobling og forsterkning. Kjernefunksjonen 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 resonatorhulrommetDet består vanligvis av to parallelle speil. Det ene er et fullt reflekterende speil, kjent sombakspeil, og den andre er et delvis reflekterende speil, kjent somutgangsspeilFotoner reflekteres frem og tilbake i hulrommet og forsterkes gjennom interaksjon med forsterkningsmediet.
ResonanstilstandUtformingen av resonatorhulrommet må oppfylle visse betingelser, som å sikre at fotoner danner stående bølger inne i hulrommet. Dette krever at hulrommets lengde er et multiplum av laserens bølgelengde. Bare lysbølger som oppfyller disse betingelsene kan forsterkes effektivt inne i hulrommet.
UtgangsstråleDet delvis reflekterende speilet lar en del av den forsterkede lysstrålen passere gjennom, og danner laserens utgangsstråle. Denne strålen har høy retningsbestemmelse, koherens og monokromatiskhet..
Hvis du vil vite mer eller er interessert i lasere, er du velkommen til å kontakte oss:
Lumispot
Adresse: Bygning 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan-distriktet Wuxi, 214000, Kina
Tlf: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Nettside: www.lumispot-tech.com
Publisert: 18. september 2024