Laserin perustoimintaperiaate (valon vahvistus stimuloidulla säteilyllä) perustuu stimuloidun valonemission ilmiöön. Tarkkojen suunnittelu- ja rakenneratkaisujen avulla laserit tuottavat säteitä, joilla on korkea koherenssi, monokromaattisuus ja kirkkaus. Lasereita käytetään laajalti modernissa teknologiassa, muun muassa viestinnässä, lääketieteessä, valmistuksessa, mittauksessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Niiden korkea hyötysuhde ja tarkat ohjausominaisuudet tekevät niistä monien teknologioiden ydinosan. Alla on yksityiskohtainen selitys lasereiden toimintaperiaatteista ja erityyppisten lasereiden mekanismeista.
1. Stimuloitu emissio
Stimuloitu emissioon lasersäteilyn taustalla oleva perusperiaate, jonka Einstein ehdotti ensimmäisenä vuonna 1917. Tämä ilmiö kuvaa, kuinka koherenttimpia fotoneja syntyy valon ja virittyneen aineen vuorovaikutuksessa. Ymmärtääksemme stimuloitua emissiota paremmin, aloitetaan spontaanista emissiosta:
Spontaani emissioAtomissa, molekyyleissä tai muissa mikroskooppisissa hiukkasissa elektronit voivat absorboida ulkoista energiaa (kuten sähköistä tai optista energiaa) ja siirtyä korkeammalle energiatasolle, joka tunnetaan viritystilana. Viritystilassa olevat elektronit ovat kuitenkin epävakaita ja palaavat lopulta lyhyen ajan kuluttua alemmalle energiatasolle, joka tunnetaan perustilana. Tämän prosessin aikana elektroni vapauttaa fotonin, joka emissio on spontaani. Tällaiset fotonit ovat taajuuden, vaiheen ja suunnan suhteen satunnaisia, ja niiltä puuttuu siten koherenssi.
Stimuloitu emissioStimuloidun emission avain on se, että kun viritystilassa oleva elektroni kohtaa fotonin, jonka energia vastaa sen siirtymäenergiaa, fotoni voi saada elektronin palaamaan perustilaan ja samalla vapauttaa uuden fotonin. Uusi fotoni on identtinen alkuperäisen kanssa taajuuden, vaiheen ja etenemissuunnan suhteen, mikä johtaa koherenttiin valoon. Tämä ilmiö vahvistaa merkittävästi fotonien määrää ja energiaa ja on lasereiden ydinmekanismi.
Stimuloidun emission positiivinen takaisinkytkentävaikutusLasereiden suunnittelussa stimuloitu emissioprosessi toistetaan useita kertoja, ja tämä positiivinen takaisinkytkentävaikutus voi lisätä fotonien määrää eksponentiaalisesti. Resonanssiontelon avulla fotonien koherenssi säilyy ja valonsäteen voimakkuus kasvaa jatkuvasti.
2. Keskitason vahvistus
Thekeskikokoinenon laserin ydinmateriaali, joka määrää fotonien vahvistuksen ja laserin tehon. Se on stimuloidun emission fysikaalinen perusta, ja sen ominaisuudet määräävät laserin taajuuden, aallonpituuden ja lähtötehon. Vahvistusväliaineen tyyppi ja ominaisuudet vaikuttavat suoraan laserin käyttöön ja suorituskykyyn.
HerätysmekanismiVahvistusväliaineen elektronit on viritettävä korkeammalle energiatasolle ulkoisella energialähteellä. Tämä prosessi saavutetaan yleensä ulkoisilla energiansyöttöjärjestelmillä. Yleisiä viritysmekanismeja ovat:
Sähköinen pumppausElektronien virittäminen vahvistusväliaineessa sähkövirran avulla.
Optinen pumppausVäliaineen herättäminen valonlähteellä (kuten salamavalolla tai toisella laserilla).
Energiatasojen järjestelmäVahvistusväliaineen elektronit jakautuvat tyypillisesti tietyille energiatasoille. Yleisimmät ovatkaksitasoiset järjestelmätjanelitasoiset järjestelmätYksinkertaisessa 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 suurempaan hyötysuhteeseen.
Vahvistusmediatyypit:
Kaasun saanti keskikokoinenEsimerkiksi helium-neon (He-Ne) -laserit. Kaasua vahvistavat materiaalit tunnetaan vakaasta tehostaan ja kiinteästä aallonpituudestaan, ja niitä käytetään laajalti standardivalonlähteinä laboratorioissa.
Nestemäinen vahvistusväliaineEsimerkiksi värilaserit. Värimolekyyleillä on hyvät viritysominaisuudet eri aallonpituuksilla, mikä tekee niistä ihanteellisia viritettäville lasereille.
Kiinteä vahvistus keskitasolleEsimerkiksi Nd (neodyymillä seostettu yttrium-alumiinigranaatti) -laserit. Nämä laserit ovat erittäin tehokkaita ja voimakkaita, ja niitä käytetään laajalti teollisessa leikkauksessa, hitsauksessa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.
PuolijohdevahvistusväliaineEsimerkiksi galliumarsenidia (GaAs) käytetään laajalti tietoliikenne- ja optoelektronisissa laitteissa, kuten laserdiodeissa.
3. Resonaattorin ontelo
Theresonaattorionteloon laserin rakenneosa, jota käytetään takaisinkytkentään ja vahvistukseen. Sen ydintoiminto on lisätä stimuloidun emission kautta tuotettujen fotonien määrää heijastamalla ja vahvistamalla niitä ontelossa, jolloin syntyy voimakas ja fokusoitu lasersäteily.
Resonaattoriontelon rakenneSe koostuu yleensä kahdesta yhdensuuntaisesta peilistä. Toinen on täysin heijastava peili, joka tunnetaan nimellätakapeilija toinen on osittain heijastava peili, joka tunnetaan ns.lähtöpeiliFotonit heijastuvat edestakaisin ontelossa ja vahvistuvat vuorovaikutuksessa vahvistusväliaineen kanssa.
ResonanssiehtoResonaattoriontelon suunnittelun on täytettävä tietyt ehdot, kuten varmistettava, että fotonit muodostavat seisovia aaltoja ontelon sisällä. Tämä edellyttää, että ontelon pituus on laserin aallonpituuden monikerta. Vain nämä ehdot täyttävät valoaallot voidaan tehokkaasti vahvistaa ontelon sisällä.
LähtösädeOsittain heijastava peili päästää osan vahvistetusta valonsäteestä läpi muodostaen laserin lähtösäteen. Tällä säteellä on korkea suuntaavuus, koherenssi ja monokromaattisuus..
Jos haluat lisätietoja tai olet kiinnostunut lasereista, ota rohkeasti yhteyttä:
Lumispot
Osoite: Rakennus 4 #, nro 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
Julkaisun aika: 18.9.2024