Osnovni princip rada lasera (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) temelji se na fenomenu stimulirane emisije svjetlosti. Kroz niz preciznih dizajna i struktura, laseri generiraju zrake visoke koherencije, monokromatičnosti i svjetline. Laseri se naširoko koriste u modernoj tehnologiji, uključujući područja kao što su komunikacije, medicina, proizvodnja, mjerenje i znanstveno istraživanje. Njihova visoka učinkovitost i precizne karakteristike upravljanja čine ih temeljnom komponentom mnogih tehnologija. U nastavku je detaljno objašnjenje principa rada lasera i mehanizama različitih vrsta lasera.
1. Stimulirana emisija
Stimulirana emisijaje temeljni princip koji stoji iza laserske generacije, a prvi ga je predložio Einstein 1917. Ovaj fenomen opisuje kako se koherentniji fotoni proizvode kroz interakciju između svjetlosti i materije u pobuđenom stanju. Kako bismo bolje razumjeli stimuliranu emisiju, počnimo sa spontanom emisijom:
Spontana emisija: U atomima, molekulama ili drugim mikroskopskim česticama, elektroni mogu apsorbirati vanjsku energiju (kao što je električna ili optička energija) i prijeći na višu razinu energije, poznatu kao pobuđeno stanje. Međutim, elektroni u pobuđenom stanju su nestabilni i na kraju će se nakon kratkog razdoblja vratiti na nižu energetsku razinu, poznatu kao osnovno stanje. Tijekom ovog procesa, elektron oslobađa foton, što je spontana emisija. Takvi fotoni su nasumični u smislu frekvencije, faze i smjera, te im stoga nedostaje koherencije.
Stimulirana emisija: Ključ stimulirane emisije je da 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 dok otpušta novi foton. Novi foton identičan je izvornom u smislu frekvencije, faze i smjera širenja, što rezultira koherentnom svjetlošću. Ovaj fenomen značajno povećava broj i energiju fotona i temeljni je mehanizam lasera.
Učinak pozitivne povratne sprege stimulirane emisije: U dizajnu lasera, proces stimulirane emisije ponavlja se više puta, a ovaj učinak pozitivne povratne sprege može eksponencijalno povećati broj fotona. Uz pomoć rezonantne šupljine održava se koherencija fotona, a intenzitet svjetlosnog snopa kontinuirano se povećava.
2. Srednji dobitak
Thedobiti srednjeje materijal jezgre u laseru koji određuje pojačanje fotona i izlaz lasera. To je fizikalna osnova za stimulirano zračenje, a njegova svojstva određuju frekvenciju, valnu duljinu i izlaznu snagu lasera. Vrsta i karakteristike medija za pojačanje izravno utječu na primjenu i učinak lasera.
Mehanizam pobude: Elektrone u mediju za pojačanje potrebno je pobuditi na višu energetsku razinu pomoću vanjskog izvora energije. Taj se proces obično postiže vanjskim sustavima opskrbe energijom. Uobičajeni mehanizmi pobuđivanja uključuju:
Električno pumpanje: Pobuđivanje elektrona u mediju za pojačanje primjenom električne struje.
Optičko pumpanje: Pobuđivanje medija izvorom svjetlosti (kao što je bljeskalica ili drugi laser).
Sustav energetskih razina: Elektroni u mediju za pojačanje obično su raspoređeni u određenim energetskim razinama. Najčešći sudvorazinski sustaviisustavi s četiri razine. U jednostavnom dvorazinskom sustavu, elektroni prelaze iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje i zatim se vraćaju u osnovno stanje putem stimulirane emisije. U sustavu s četiri razine, elektroni prolaze kroz složenije prijelaze između različitih energetskih razina, što često rezultira većom učinkovitošću.
Vrste medija za pojačanje:
Gas Gain Medium: Na primjer, helij-neonski (He-Ne) laseri. Mediji za plinsko pojačanje poznati su po svom stabilnom izlazu i fiksnoj valnoj duljini te se široko koriste kao standardni izvori svjetlosti u laboratorijima.
Liquid Gain Medium: Na primjer, laseri za bojenje. Molekule boje imaju dobra svojstva pobude na različitim valnim duljinama, što ih čini idealnim za podesive lasere.
Solid Gain Medium: Na primjer, Nd (neodimijem dopirani itrij aluminijski granat) laseri. Ovi su laseri vrlo učinkoviti i snažni te se široko koriste u industrijskom rezanju, zavarivanju i medicinskim primjenama.
Srednje pojačanja poluvodiča: Na primjer, materijali galijevog arsenida (GaAs) naširoko se koriste u komunikacijskim i optoelektroničkim uređajima kao što su laserske diode.
3. Rezonatorska šupljina
Therezonatorska šupljinaje strukturna komponenta u laseru koja se koristi za povratnu spregu i pojačanje. Njegova temeljna funkcija je povećati broj fotona proizvedenih stimuliranom emisijom reflektirajući ih i pojačavajući unutar šupljine, stvarajući tako snažan i fokusiran izlaz lasera.
Struktura rezonatorske šupljine: Obično se sastoji od dva paralelna zrcala. Jedno je potpuno reflektirajuće ogledalo, poznato kaostražnji retrovizor, a drugo je djelomično reflektirajuće ogledalo, poznato kaoizlazno ogledalo. Fotoni se reflektiraju naprijed-nazad unutar šupljine i pojačavaju se kroz interakciju s medijem pojačanja.
Uvjet rezonancije: Dizajn rezonatorske šupljine mora ispunjavati određene uvjete, kao što je osiguranje da fotoni tvore stojne valove unutar šupljine. To zahtijeva da duljina šupljine bude višekratnik valne duljine lasera. Samo svjetlosni valovi koji zadovoljavaju te uvjete mogu se učinkovito pojačati unutar šupljine.
Izlazna zraka: Djelomično reflektirajuće zrcalo dopušta prolazak dijela pojačane svjetlosne zrake, tvoreći izlaznu zraku lasera. Ova zraka ima visoku usmjerenost, koherenciju i monokromatičnost.
Ako želite saznati više ili ste zainteresirani za lasere, slobodno nas kontaktirajte:
Lumispot
Adresa: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. 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