Osnovni princip rada lasera (pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja) temelji se na fenomenu stimulirane emisije svjetlosti. Kroz niz preciznih dizajna i struktura, laseri generiraju zrake s visokom koherencijom, monokromatskošću i svjetlinom. Laseri se široko koriste u modernoj tehnologiji, uključujući područja kao što su komunikacija, medicina, proizvodnja, mjerenje i znanstvena istraživanja. Njihova visoka učinkovitost i precizne kontrolne karakteristike čine ih ključnom komponentom mnogih tehnologija. U nastavku slijedi detaljno objašnjenje principa rada lasera i mehanizama različitih vrsta lasera.
1. Stimulirana emisija
Stimulirana emisijaje temeljni princip laserske generacije, koji je prvi predložio Einstein 1917. godine. Ovaj fenomen opisuje kako se koherentniji fotoni proizvode interakcijom između svjetlosti i pobuđene materije. Kako bismo bolje razumjeli stimuliranu emisiju, krenimo sa spontanom emisijom:
Spontana emisijaU atomima, molekulama ili drugim mikroskopskim česticama, elektroni mogu apsorbirati vanjsku energiju (poput električne ili optičke energije) i prijeći na višu energetsku razinu, poznatu kao pobuđeno stanje. Međutim, elektroni u pobuđenom stanju su nestabilni i na kraju će se vratiti na nižu energetsku razinu, poznatu kao osnovno stanje, nakon kratkog razdoblja. Tijekom tog procesa, elektron oslobađa foton, što je spontana emisija. Takvi fotoni su nasumični u smislu frekvencije, faze i smjera, te im stoga nedostaje koherencija.
Stimulirana emisijaKljuč stimulirane emisije je u tome što kada elektron u pobuđenom stanju naiđe na foton s energijom koja odgovara njegovoj energiji prijelaza, foton može potaknuti elektron da se vrati u osnovno stanje, oslobađajući novi foton. Novi foton je identičan izvornom u smislu frekvencije, faze i smjera širenja, što rezultira koherentnom svjetlošću. Ovaj fenomen značajno pojačava broj i energiju fotona i ključni je mehanizam lasera.
Učinak pozitivne povratne sprege stimulirane emisijeU dizajnu lasera, proces stimulirane emisije ponavlja se više puta, a ovaj pozitivni povratni efekt može eksponencijalno povećati broj fotona. Uz pomoć rezonantne šupljine održava se koherencija fotona, a intenzitet svjetlosnog snopa kontinuirano se povećava.
2. Srednje pojačanje
Thesrednje pojačanjeje osnovni materijal u laseru koji određuje pojačanje fotona i laserski izlaz. To je fizička osnova za stimuliranu emisiju, a njegova svojstva određuju frekvenciju, valnu duljinu i izlaznu snagu lasera. Vrsta i karakteristike medija za pojačanje izravno utječu na primjenu i performanse lasera.
Mehanizam pobudeElektroni u pojačavajućem mediju moraju se pobuditi na višu energetsku razinu vanjskim izvorom energije. Taj se proces obično postiže vanjskim sustavima za opskrbu energijom. Uobičajeni mehanizmi pobude uključuju:
Električno pumpanjePobuđivanje elektrona u pojačavajućem mediju primjenom električne struje.
Optičko pumpanjeUzbuđivanje medija izvorom svjetlosti (kao što je bljeskalica ili drugi laser).
Sustav energetskih razinaElektroni u pojačavajućem mediju obično su raspoređeni u specifičnim energetskim razinama. Najčešći sudvorazinski sustaviičetverozapadni sustaviU jednostavnom dvorazinskom sustavu, elektroni prelaze iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje, a zatim se vraćaju u osnovno stanje putem stimulirane emisije. U četverozasinskom sustavu, elektroni prolaze kroz složenije prijelaze između različitih energetskih razina, što često rezultira većom učinkovitošću.
Vrste medija za pojačanje:
Srednji dobitak plinaNa primjer, helij-neonski (He-Ne) laseri. Plinski pojačavajući mediji poznati su po stabilnom izlazu i fiksnoj valnoj duljini te se široko koriste kao standardni izvori svjetlosti u laboratorijima.
Srednji dobitak tekućineNa primjer, laseri s bojama. Molekule boja imaju dobra svojstva pobuđivanja na različitim valnim duljinama, što ih čini idealnim za lasere s podesivim svojstvima.
Srednji čvrsti gainNa primjer, Nd (neodimijski dopirani itrijev aluminijev granat) laseri. Ovi laseri su vrlo učinkoviti i snažni te se široko koriste u industrijskom rezanju, zavarivanju i medicinskim primjenama.
Poluvodički medij za pojačanjeNa primjer, materijali od galij arsenida (GaAs) široko se koriste u komunikacijskim i optoelektroničkim uređajima poput laserskih dioda.
3. Rezonatorska šupljina
Therezonatorska šupljinaje strukturna komponenta u laseru koja se koristi za povratnu informaciju i pojačanje. Njegova je glavna funkcija povećati broj fotona proizvedenih stimuliranom emisijom reflektirajući ih i pojačavajući unutar šupljine, čime se generira snažan i fokusiran laserski izlaz.
Struktura rezonatorske šupljineObično se sastoji od dva paralelna zrcala. Jedno je potpuno reflektirajuće zrcalo, poznato kaoretrovizor, a drugo je djelomično reflektirajuće zrcalo, poznato kaoizlazno zrcaloFotoni se reflektiraju naprijed-natrag unutar šupljine i pojačavaju se interakcijom s pojačavajućim medijem.
Rezonantni uvjetDizajn rezonatorske šupljine mora ispunjavati određene uvjete, kao što je osiguranje da fotoni formiraju stojne valove unutar šupljine. To zahtijeva da duljina šupljine bude višekratnik valne duljine lasera. Samo svjetlosni valovi koji ispunjavaju te uvjete mogu se učinkovito pojačati unutar šupljine.
Izlazna zrakaDjelomično reflektirajuće zrcalo propušta dio pojačane svjetlosne zrake, formirajući laserski izlazni snop. Ovaj snop ima visoku usmjerenost, koherenciju i monokromatičnost..
Ako želite saznati više ili ste zainteresirani za lasere, slobodno nas kontaktirajte:
Lumispot
Adresa: Zgrada 4 #, br. 99 Furong 3rd Road, okrug Xishan, Wuxi, 214000, Kina
Tel.: + 86-0510 87381808.
Mobitel: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Web stranica: www.lumispot-tech.com
Vrijeme objave: 18. rujna 2024.