Laserin toimintaperiaate

Laserin (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) toimintaperiaate perustuu stimuloidun valon emission ilmiöön. Sarjan tarkkojen suunnitelmien ja rakenteiden avulla laserit tuottavat säteitä, joilla on korkea koherenssi, yksivärisyys ja kirkkaus. Lasereita käytetään laajasti modernissa teknologiassa, mukaan lukien viestintä, lääketiede, valmistus, mittaus ja tieteellinen tutkimus. Niiden korkea hyötysuhde ja tarkat ohjausominaisuudet tekevät niistä monien teknologioiden ydinkomponentin. Alla on yksityiskohtainen selostus laserien toimintaperiaatteista ja erityyppisten lasereiden mekanismeista.

1. Stimuloitu päästö

Stimuloitu emissioon laserituotannon perusperiaate, jonka Einstein ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1917. Tämä ilmiö kuvaa, kuinka koherentempia fotoneja syntyy valon ja virittyneen tilan aineen vuorovaikutuksen kautta. Stimuloidun emission ymmärtämiseksi paremmin aloitetaan spontaanista emissiosta:

Spontaani päästö: Atomeissa, molekyyleissä tai muissa mikroskooppisissa hiukkasissa elektronit voivat absorboida ulkoista energiaa (kuten sähköistä tai optista energiaa) ja siirtyä korkeammalle energiatasolle, joka tunnetaan viritystilana. Viritystilan elektronit ovat kuitenkin epävakaita ja palaavat lopulta alemmalle energiatasolle, joka tunnetaan nimellä perustila, lyhyen ajan kuluttua. Tämän prosessin aikana elektroni vapauttaa fotonin, joka on spontaani emissio. Tällaiset fotonit ovat satunnaisia ​​taajuuden, vaiheen ja suunnan suhteen, ja siksi niiltä puuttuu koherenssi.

Stimuloitu päästö: Avain stimuloituun emissioon on, että kun virittyneen tilan elektroni kohtaa fotonin, jonka energia vastaa sen siirtymäenergiaa, fotoni voi saada elektronin palaamaan perustilaan vapauttaen samalla uuden fotonin. Uusi fotoni on identtinen alkuperäisen kanssa taajuuden, vaiheen ja etenemissuunnan suhteen, mikä johtaa koherenttiin valoon. Tämä ilmiö lisää merkittävästi fotonien määrää ja energiaa ja on laserien ydinmekanismi.

Stimuloidun päästön positiivinen palautevaikutus: Laserien suunnittelussa stimuloitu emissioprosessi toistetaan useita kertoja, ja tämä positiivinen palautevaikutus voi lisätä fotonien määrää eksponentiaalisesti. Resonanssiontelon avulla fotonien koherenssi säilyy ja valonsäteen intensiteettiä kasvatetaan jatkuvasti.

2. Gain Medium

Thesaada keskitasoaon laserin ydinmateriaali, joka määrittää fotonien vahvistuksen ja lasertehon. Se on stimuloidun emission fyysinen perusta, ja sen ominaisuudet määräävät laserin taajuuden, aallonpituuden ja lähtötehon. Vahvistusvälineen tyyppi ja ominaisuudet vaikuttavat suoraan laserin sovellukseen ja suorituskykyyn.

Herätysmekanismi: Vahvistusväliaineen elektronit on viritettävä korkeammalle energiatasolle ulkoisella energialähteellä. Tämä prosessi saavutetaan yleensä ulkoisilla energiansyöttöjärjestelmillä. Yleisiä herätysmekanismeja ovat:

Sähköinen pumppaus: Viritetään vahvistusväliaineessa olevat elektronit kohdistamalla sähkövirta.

Optinen pumppaus: Median virittäminen valonlähteellä (kuten salamalampulla tai muulla laserilla).

Energiatasojärjestelmä: Vahvistusväliaineen elektronit jakautuvat tyypillisesti tietyille energiatasoille. Yleisimmät ovatkaksitasoiset järjestelmätjanelitasoiset järjestelmät. Yksinkertaisessa kaksitasoisessa järjestelmässä elektronit siirtyvät perustilasta virittyneeseen tilaan ja palaavat sitten perustilaan stimuloidun emission kautta. Nelitasoisessa järjestelmässä elektronit käyvät läpi monimutkaisempia siirtymiä eri energiatasojen välillä, mikä usein johtaa korkeampaan hyötysuhteeseen.

Gain Median tyypit:

Gas Gain Medium: Esimerkiksi helium-neon (He-Ne) laserit. Kaasunvahvistusvälineet tunnetaan vakaasta tehostaan ​​ja kiinteästä aallonpituudestaan, ja niitä käytetään laajalti standardivalonlähteinä laboratorioissa.

Liquid Gain Medium: Esimerkiksi värilaserit. Väriainemolekyyleillä on hyvät viritysominaisuudet eri aallonpituuksilla, mikä tekee niistä ihanteellisia viritettäville lasereille.

Solid Gain Medium: Esimerkiksi Nd (neodyymi-seostettu yttrium-alumiinigranaatti) laserit. Nämä laserit ovat erittäin tehokkaita ja tehokkaita, ja niitä käytetään laajasti teollisessa leikkauksessa, hitsauksessa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.

Puolijohteen vahvistuksen keskitaso: Esimerkiksi galliumarsenidimateriaaleja (GaAs) käytetään laajalti viestintä- ja optoelektronisissa laitteissa, kuten laserdiodeissa.

3. Resonaattoriontelo

Theresonaattorin onkaloon laserin rakennekomponentti, jota käytetään takaisinkytkentään ja vahvistukseen. Sen ydintoiminto on lisätä stimuloidulla emissiolla tuotettujen fotonien määrää heijastamalla ja vahvistamalla niitä ontelon sisällä, jolloin saadaan aikaan vahva ja fokusoitu lasertulos.

Resonaattoriontelon rakenne: Se koostuu yleensä kahdesta rinnakkaisesta peilistä. Yksi on täysin heijastava peili, joka tunnetaan nimellätakapeili, ja toinen on osittain heijastava peili, joka tunnetaan nimellälähtöpeili. Fotonit heijastuvat edestakaisin ontelossa ja vahvistuvat vuorovaikutuksessa vahvistusväliaineen kanssa.

Resonanssitila: Resonaattoriontelon suunnittelun on täytettävä tietyt ehdot, kuten varmistettava, että fotonit muodostavat seisovia aaltoja ontelon sisällä. Tämä edellyttää, että ontelon pituus on laseraallonpituuden kerrannainen. Vain valoaallot, jotka täyttävät nämä ehdot, voidaan vahvistaa tehokkaasti ontelon sisällä.

Output Beam: Osittain heijastava peili päästää osan vahvistetusta valonsäteestä läpi muodostaen laserin lähtösäteen. Tällä sädellä on korkea suuntaavuus, koherenssi ja yksivärisyys.

Jos haluat oppia lisää tai olet kiinnostunut lasereista, ota rohkeasti yhteyttä:

Lumispot

Osoite: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Kiina

Puh: + 86-0510 87381808.

Matkapuhelin: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

Verkkosivusto: www.lumispot-tech.com