Základní pracovní princip laseru (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je založen na fenoménu stimulované emise světla. Prostřednictvím řady přesných návrhů a struktur generují lasery paprsky s vysokou koherencí, monochromatičností a jasem. Lasery jsou široce používány v moderních technologiích, včetně oblastí, jako je komunikace, medicína, výroba, měření a vědecký výzkum. Jejich vysoká účinnost a přesné regulační charakteristiky z nich činí základní součást mnoha technologií. Níže je podrobně vysvětleno principy fungování laserů a mechanismy různých typů laserů.
1. Stimulovaná emise
Stimulovaná emiseje základní princip generování laseru, poprvé navržený Einsteinem v roce 1917. Tento jev popisuje, jak jsou produkovány koherentnější fotony prostřednictvím interakce mezi světlem a látkou v excitovaném stavu. Abychom lépe porozuměli stimulované emisi, začněme spontánní emisí:
Spontánní emise: V atomech, molekulách nebo jiných mikroskopických částicích mohou elektrony absorbovat vnější energii (jako je elektrická nebo optická energie) a přejít na vyšší energetickou hladinu, známou jako excitovaný stav. Elektrony v excitovaném stavu jsou však nestabilní a nakonec se po krátké době vrátí na nižší energetickou hladinu, známou jako základní stav. Během tohoto procesu elektron uvolňuje foton, což je spontánní emise. Takové fotony jsou náhodné, pokud jde o frekvenci, fázi a směr, a proto postrádají koherenci.
Stimulovaná emise: Klíčem ke stimulované emisi je, že když se elektron v excitovaném stavu setká s fotonem s energií odpovídající jeho přechodové energii, foton může přimět elektron, aby se vrátil do základního stavu a zároveň uvolnil nový foton. Nový foton je totožný s původním z hlediska frekvence, fáze a směru šíření, výsledkem je koherentní světlo. Tento jev výrazně zesiluje počet a energii fotonů a je základním mechanismem laserů.
Pozitivní efekt zpětné vazby stimulované emise: Při konstrukci laserů se proces stimulované emise opakuje vícekrát a tento pozitivní zpětnovazební efekt může exponenciálně zvýšit počet fotonů. Pomocí rezonanční dutiny je zachována koherence fotonů a plynule se zvyšuje intenzita světelného paprsku.
2. Střední zisk
Thezískat středníje základní materiál v laseru, který určuje zesílení fotonů a výstup laseru. Je fyzikálním základem pro stimulovanou emisi a její vlastnosti určují frekvenci, vlnovou délku a výstupní výkon laseru. Typ a vlastnosti zesilovacího média přímo ovlivňují použití a výkon laseru.
Excitační mechanismus: Elektrony v zesilovacím médiu musí být excitovány na vyšší energetickou hladinu externím zdrojem energie. Tohoto procesu se obvykle dosahuje externími systémy zásobování energií. Mezi běžné excitační mechanismy patří:
Elektrické čerpání: Vybuzení elektronů v zesilovacím médiu aplikací elektrického proudu.
Optické čerpání: Vybuzení média světelným zdrojem (jako je blesk nebo jiný laser).
Systém energetických úrovní: Elektrony v zesilovacím médiu jsou typicky distribuovány ve specifických energetických hladinách. Nejběžnější jsoudvouúrovňové systémyačtyřúrovňové systémy. V jednoduchém dvouúrovňovém systému přecházejí elektrony ze základního stavu do excitovaného stavu a poté se vracejí do základního stavu prostřednictvím stimulované emise. Ve čtyřúrovňovém systému procházejí elektrony složitějšími přechody mezi různými energetickými hladinami, což často vede k vyšší účinnosti.
Typy médií pro zisk:
Zisk plynu střední: Například helium-neonové (He-Ne) lasery. Média pro zisk plynu jsou známá svým stabilním výkonem a pevnou vlnovou délkou a jsou široce používána jako standardní světelné zdroje v laboratořích.
Zisk kapaliny Střední: Například barvivové lasery. Molekuly barviva mají dobré excitační vlastnosti napříč různými vlnovými délkami, díky čemuž jsou ideální pro laditelné lasery.
Pevný zisk střední: Například Nd (neodymem dopovaný yttrium-hliník granát) lasery. Tyto lasery jsou vysoce účinné a výkonné a jsou široce používány v průmyslovém řezání, svařování a lékařských aplikacích.
Polovodičový zisk střední: Například materiály arsenidu galia (GaAs) jsou široce používány v komunikačních a optoelektronických zařízeních, jako jsou laserové diody.
3. Dutina rezonátoru
Thedutina rezonátoruje strukturální komponent v laseru používaný pro zpětnou vazbu a zesílení. Jeho hlavní funkcí je zvýšit počet fotonů produkovaných prostřednictvím stimulované emise jejich odrazem a zesílením uvnitř dutiny, čímž se generuje silný a soustředěný laserový výstup.
Struktura dutiny rezonátoru: Obvykle se skládá ze dvou paralelních zrcadel. Jedním z nich je plně reflexní zrcadlo, známé jakozadní zrcátko, a druhý je částečně reflexní zrcadlo, známé jakovýstupní zrcadlo. Fotony se odrážejí tam a zpět v dutině a jsou zesilovány interakcí se ziskovým médiem.
Rezonanční stav: Konstrukce dutiny rezonátoru musí splňovat určité podmínky, jako je zajištění toho, aby fotony tvořily uvnitř dutiny stojaté vlny. To vyžaduje, aby délka dutiny byla násobkem vlnové délky laseru. Uvnitř dutiny lze účinně zesílit pouze světelné vlny, které splňují tyto podmínky.
Výstupní paprsek: Částečně reflexní zrcadlo umožňuje průchod části zesíleného světelného paprsku a tvoří výstupní paprsek laseru. Tento paprsek má vysokou směrovost, koherenci a monochromatičnost.
Pokud se chcete dozvědět více nebo máte zájem o lasery, neváhejte nás kontaktovat:
Lumispot
Adresa: Budova 4 #, č. 99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214 000, Čína
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Webové stránky: www.lumispot-tech.com
Čas odeslání: 18. září 2024