Základní princip fungování laseru (zesílení světla stimulovanou emisí záření) je založen na jevu stimulované emise světla. Díky řadě přesných konstrukcí a struktur generují lasery paprsky s vysokou koherencí, monochromatičností a jasem. Lasery se široce používají v moderních technologiích, včetně oblastí, jako je komunikace, medicína, výroba, měření a vědecký výzkum. Jejich vysoká účinnost a přesné regulační vlastnosti z nich činí klíčovou součást mnoha technologií. Níže je podrobně vysvětlen princip fungování laserů a mechanismů různých typů laserů.
1. Stimulovaná emise
Stimulovaná emiseje základní princip generování laseru, který poprvé navrhl Einstein v roce 1917. Tento jev popisuje, jak interakcí mezi světlem a excitovanou hmotou vznikají koherentnější fotony. Abychom lépe porozuměli stimulované emisi, začněme se spontánní emisí:
Spontánní emiseV atomech, molekulách nebo jiných mikroskopických částicích mohou elektrony absorbovat vnější energii (například elektrickou nebo optickou energii) a přecházet na vyšší energetickou hladinu, známou jako excitovaný stav. Elektrony v excitovaném stavu jsou však nestabilní a po krátké době se nakonec vrátí na nižší energetickou hladinu, známou jako základní stav. Během tohoto procesu elektron uvolní foton, což je spontánní emise. Takové fotony jsou náhodné, co se týče frekvence, fáze a směru, a proto postrádají koherenci.
Stimulovaná emiseKlíčem ke stimulované emisi je to, že když se elektron v excitovaném stavu setká s fotonem s energií odpovídající jeho přechodové energii, foton může vyvolat návrat elektronu do základního stavu a zároveň uvolnit nový foton. Nový foton je identický s původním, pokud jde o frekvenci, fázi a směr šíření, což vede ke koherentnímu světlu. Tento jev významně zesiluje počet a energii fotonů a je základním mechanismem laserů.
Pozitivní zpětná vazba stimulované emisePři konstrukci laserů se proces stimulované emise opakuje několikrát a tento efekt pozitivní zpětné vazby může exponenciálně zvýšit počet fotonů. S pomocí rezonanční dutiny se udržuje koherence fotonů a intenzita světelného paprsku se neustále zvyšuje.
2. Zisk střední
Ten/Ta/Tozisk středníje základní materiál laseru, který určuje zesílení fotonů a laserový výstup. Je fyzikálním základem stimulované emise a jeho vlastnosti určují frekvenci, vlnovou délku a výstupní výkon laseru. Typ a vlastnosti zesilovacího média přímo ovlivňují použití a výkon laseru.
Mechanismus excitaceElektrony v zesilovacím médiu musí být excitovány na vyšší energetickou hladinu externím zdrojem energie. Tohoto procesu se obvykle dosahuje pomocí externích systémů napájení energií. Mezi běžné excitační mechanismy patří:
Elektrické čerpadloExcitace elektronů v zesilovacím médiu aplikací elektrického proudu.
Optické pumpováníExcitace média světelným zdrojem (například zábleskovou lampou nebo jiným laserem).
Systém energetických hladinElektrony v zesilovacím médiu jsou obvykle rozloženy ve specifických energetických hladinách. Nejběžnější jsoudvouúrovňové systémyačtyřúrovňové systémyV jednoduchém dvouúrovňovém systému elektrony přecházejí ze základního stavu do excitovaného stavu a poté se do základního stavu vracejí stimulovanou emisí. Ve čtyřúrovňovém systému elektrony procházejí složitějšími přechody mezi různými energetickými hladinami, což často vede k vyšší účinnosti.
Typy zesilovacích médií:
Střední zisk plynuNapříklad heliovo-neonové (He-Ne) lasery. Plynové zesilovací média jsou známá svým stabilním výstupem a pevnou vlnovou délkou a jsou široce používána jako standardní světelné zdroje v laboratořích.
Střední zisk kapalinyNapříklad barvivové lasery. Molekuly barviv mají dobré excitační vlastnosti v různých vlnových délkách, což je činí ideálními pro laditelné lasery.
Střední ziskNapříklad Nd (neodymem dopovaný yttrium-hlinito-granátový) laser. Tyto lasery jsou vysoce účinné a výkonné a široce se používají v průmyslovém řezání, svařování a lékařských aplikacích.
Polovodičové zesilovací médiumNapříklad materiály na bázi arsenidu galia (GaAs) se široce používají v komunikačních a optoelektronických zařízeních, jako jsou laserové diody.
3. Rezonátorová dutina
Ten/Ta/Torezonátorová dutinaje strukturální součást laseru používaná pro zpětnou vazbu a zesílení. Její hlavní funkcí je zvýšit počet fotonů produkovaných stimulovanou emisí jejich odrazem a zesílením uvnitř dutiny, čímž se generuje silný a zaostřený laserový výstup.
Struktura rezonátorové dutinyObvykle se skládá ze dvou rovnoběžných zrcadel. Jedno je plně reflexní zrcadlo, známé jakozpětné zrcátkoa druhé je částečně reflexní zrcadlo, známé jakovýstupní zrcadloFotony se v dutině odrážejí tam a zpět a jsou zesilovány interakcí se zesilovacím médiem.
Rezonanční podmínkaKonstrukce dutiny rezonátoru musí splňovat určité podmínky, například zajištění toho, aby fotony uvnitř dutiny vytvářely stojaté vlny. To vyžaduje, aby délka dutiny byla násobkem vlnové délky laseru. Uvnitř dutiny lze efektivně zesílit pouze světelné vlny, které splňují tyto podmínky.
Výstupní paprsekČástečně reflexní zrcadlo propouští část zesíleného světelného paprsku a vytváří tak 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, okres Xishan, Wuxi, 214000, Čína
Tel.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Webové stránky: www.lumispot-tech.com
Čas zveřejnění: 18. září 2024