Основной принцип работы лазера (усиление света путем стимулированного излучения) основан на явлении стимулированного излучения. Благодаря ряду точных конструкций и структур, лазеры генерируют лучи с высокой когерентностью, монохроматичностью и яркостью. Лазеры широко используются в современных технологиях, в том числе в таких областях, как связь, медицина, производство, измерения и научные исследования. Их высокая эффективность и точные характеристики управления делают их ключевым компонентом многих технологий. Ниже приведено подробное объяснение принципов работы лазеров и механизмов действия различных типов лазеров.
1. Стимулированное излучение
Стимулированное излучениеЭто фундаментальный принцип генерации лазерного излучения, впервые предложенный Эйнштейном в 1917 году. Это явление описывает, как более когерентные фотоны образуются в результате взаимодействия света с возбужденным веществом. Чтобы лучше понять стимулированное излучение, начнем со спонтанного излучения:
Спонтанное излучениеВ атомах, молекулах или других микроскопических частицах электроны могут поглощать внешнюю энергию (например, электрическую или оптическую) и переходить на более высокий энергетический уровень, известный как возбужденное состояние. Однако электроны в возбужденном состоянии нестабильны и через короткий промежуток времени возвращаются на более низкий энергетический уровень, известный как основное состояние. В ходе этого процесса электрон испускает фотон, что является спонтанным излучением. Такие фотоны случайны по частоте, фазе и направлению, и поэтому не обладают когерентностью.
Стимулированное излучениеКлюч к стимулированному излучению заключается в том, что когда возбужденный электрон сталкивается с фотоном, энергия которого соответствует энергии его перехода, фотон может заставить электрон вернуться в основное состояние, одновременно испуская новый фотон. Новый фотон идентичен исходному по частоте, фазе и направлению распространения, что приводит к когерентному свету. Это явление значительно увеличивает количество и энергию фотонов и является основным механизмом работы лазеров.
Положительный эффект обратной связи стимулированного излученияВ конструкции лазеров процесс стимулированного излучения повторяется многократно, и этот эффект положительной обратной связи может экспоненциально увеличивать количество фотонов. С помощью резонансной полости поддерживается когерентность фотонов, и интенсивность светового пучка непрерывно возрастает.
2. Усиление среднее
Онсредний уровень усиленияАктивная среда — это основной материал лазера, определяющий усиление фотонов и выходную мощность лазера. Она является физической основой стимулированного излучения, и её свойства определяют частоту, длину волны и выходную мощность лазера. Тип и характеристики активной среды напрямую влияют на область применения и характеристики лазера.
Механизм возбужденияЭлектроны в активной среде необходимо возбуждать до более высокого энергетического уровня с помощью внешнего источника энергии. Этот процесс обычно осуществляется с помощью внешних систем подачи энергии. К распространенным механизмам возбуждения относятся:
Электрический насосВозбуждение электронов в активной среде путем приложения электрического тока.
Оптическая накачкаВозбуждение среды источником света (например, импульсной лампой или другим лазером).
Система уровней энергииЭлектроны в активной среде обычно распределены по определенным энергетическим уровням. Наиболее распространенными являются:двухуровневые системыичетырехуровневые системыВ простой двухуровневой системе электроны переходят из основного состояния в возбужденное, а затем возвращаются в основное состояние посредством стимулированного излучения. В четырехуровневой системе электроны претерпевают более сложные переходы между различными энергетическими уровнями, что часто приводит к повышению эффективности.
Типы усиливающих сред:
Средний уровень газового приростаНапример, гелий-неоновые (He-Ne) лазеры. Газовые активные среды известны своей стабильной мощностью и фиксированной длиной волны и широко используются в качестве стандартных источников света в лабораториях.
Жидкость Gain MediumНапример, лазеры на красителях. Молекулы красителей обладают хорошими свойствами возбуждения в широком диапазоне длин волн, что делает их идеальными для перестраиваемых лазеров.
Твердое усиление СреднееНапример, неодимовые (легированные неодимом иттрий-алюминиевые гранаты) лазеры. Эти лазеры обладают высокой эффективностью и мощностью и широко используются в промышленной резке, сварке и медицине.
Полупроводниковая усиливающая средаНапример, материалы на основе арсенида галлия (GaAs) широко используются в коммуникационных и оптоэлектронных устройствах, таких как лазерные диоды.
3. Резонаторная полость
Онрезонаторная полостьЭто структурный компонент лазера, используемый для обратной связи и усиления. Его основная функция заключается в увеличении количества фотонов, производимых посредством стимулированного излучения, путем их отражения и усиления внутри резонатора, тем самым генерируя мощный и сфокусированный лазерный луч.
Структура резонаторной полостиОбычно он состоит из двух параллельных зеркал. Одно из них — полностью отражающее зеркало, известное как зеркало заднего вида.заднее зеркалоа другое — частично отражающее зеркало, известное каквыходное зеркалоФотоны отражаются друг от друга внутри резонатора и усиливаются за счет взаимодействия с активной средой.
Резонансное состояниеКонструкция резонаторной полости должна соответствовать определенным условиям, например, обеспечивать образование стоячих волн фотонами внутри полости. Для этого длина полости должна быть кратна длине волны лазера. Только световые волны, удовлетворяющие этим условиям, могут быть эффективно усилены внутри полости.
Выходной лучЧастично отражающее зеркало пропускает часть усиленного светового луча, формируя выходной луч лазера. Этот луч обладает высокой направленностью, когерентностью и монохроматичностью..
Если вы хотите узнать больше или вас интересуют лазеры, пожалуйста, свяжитесь с нами:
Люмиспот
Адрес: корпус № 4, ул. Фуронг, 3-я, дом 99, район Сишань, Уси, 214000, Китай
Тел.: +86-0510 87381808.
Мобильный телефон: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Веб-сайт: www.lumispot-tech.com
Дата публикации: 18 сентября 2024 г.