Основной принцип работы лазера (усиление света посредством стимулированного излучения) основан на явлении вынужденного излучения света. Благодаря ряду точных конструкций и конструкций лазеры генерируют лучи высокой когерентности, монохроматичности и яркости. 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 приводится подробное объяснение принципов работы лазеров и механизмов различных типов лазеров.
1. Вынужденное излучение
Вынужденное излучениеЭто фундаментальный принцип лазерной генерации, впервые предложенный Эйнштейном в 1917 году. Это явление описывает, как более когерентные фотоны производятся в результате взаимодействия между светом и веществом в возбужденном состоянии. Чтобы лучше понять стимулированное излучение, начнем со спонтанного излучения:
Спонтанное излучение: В атомах, молекулах или других микроскопических частицах электроны могут поглощать внешнюю энергию (например, электрическую или оптическую энергию) и переходить на более высокий энергетический уровень, известный как возбужденное состояние. Однако электроны в возбужденном состоянии нестабильны и через короткий период времени в конечном итоге вернутся на более низкий энергетический уровень, известный как основное состояние. Во время этого процесса электрон испускает фотон, что является спонтанным излучением. Такие фотоны случайны с точки зрения частоты, фазы и направления и, следовательно, лишены когерентности.
Вынужденное излучение: Ключом к стимулированному излучению является то, что когда электрон в возбужденном состоянии встречает фотон с энергией, соответствующей его энергии перехода, фотон может побудить электрон вернуться в основное состояние, выпустив при этом новый фотон. Новый фотон идентичен исходному с точки зрения частоты, фазы и направления распространения, что приводит к когерентному свету. Это явление значительно увеличивает количество и энергию фотонов и является основным механизмом лазеров.
Эффект положительной обратной связи стимулированного излучения: В 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, а интенсивность светового луча постоянно увеличивается.
2. Получите средний уровень
средний выигрыш— это основной материал лазера, который определяет усиление фотонов и выходную мощность лазера. Это физическая основа вынужденного излучения, и его свойства определяют частоту, длину волны и выходную мощность лазера. Тип и характеристики усиливающей среды напрямую влияют на применение и производительность лазера.
Механизм возбуждения: Электроны в усиливающей среде должны быть возбуждены на более высокий энергетический уровень внешним источником энергии. Этот процесс обычно достигается за счет внешних систем энергоснабжения. К общим механизмам возбуждения относятся:
Электрическая накачка: Возбуждение электронов в усиливающей среде путем подачи электрического тока.
Оптическая накачка: Возбуждение среды источником света (например, лампой-вспышкой или другим лазером).
Система энергетических уровней: Электроны в усиливающей среде обычно распределяются по определенным энергетическим уровням. Наиболее распространенными являютсядвухуровневые системыичетырехуровневые системы. В простой двухуровневой системе электроны переходят из основного состояния в возбужденное состояние, а затем возвращаются в основное состояние посредством вынужденного излучения. В четырехуровневой системе электроны претерпевают более сложные переходы между различными энергетическими уровнями, что часто приводит к более высокому КПД.
Типы средств усиления:
Газовое усиление Среднее: Например, гелий-неоновые (He-Ne) лазеры. Газоусиливающие среды известны своей стабильной мощностью и фиксированной длиной волны и широко используются в качестве стандартных источников света в лабораториях.
Жидкая среда усиления: Например, лазеры на красителях. Молекулы красителей обладают хорошими свойствами возбуждения на разных длинах волн, что делает их идеальными для перестраиваемых лазеров.
Среднее усиление: Например, Nd (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом) лазеры. Эти лазеры высокоэффективны и мощны и широко используются в промышленной резке, сварке и медицине.
Полупроводниковый коэффициент усиления: Например, материалы из арсенида галлия (GaAs) широко используются в средствах связи и оптоэлектронных устройствах, таких как лазерные диоды.
3. Полость резонатора
полость резонатораявляется структурным компонентом лазера, используемым для обратной связи и усиления. Его основная функция заключается в увеличении количества фотонов, образующихся в результате стимулированного излучения, путем их отражения и усиления внутри резонатора, генерируя тем самым сильный и сфокусированный лазерный выход.
Структура полости резонатора: Обычно состоит из двух параллельных зеркал. Одно из них представляет собой полностью отражающее зеркало, известное какзеркало заднего вида, а другое — частично отражающее зеркало, известное каквыходное зеркало. Фотоны отражаются взад и вперед внутри полости и усиливаются за счет взаимодействия с усиливающей средой.
Условия резонанса: Конструкция полости резонатора должна отвечать определенным условиям, например, обеспечивать образование стоячих волн фотонами внутри полости. Для этого необходимо, чтобы длина резонатора была кратна длине волны лазера. Только световые волны, отвечающие этим условиям, могут эффективно усиливаться внутри резонатора.
Выходной луч: частично отражающее зеркало пропускает часть усиленного светового луча, образуя выходной луч лазера. Этот луч имеет высокую направленность, когерентность и монохроматичность..
Если вы хотите узнать больше или заинтересованы в лазерах, пожалуйста, свяжитесь с нами:
Люмиспот
Адрес: дом 4 #, № 99, 3-я дорога Фуронг, район Сишань. Уси, 214000, Китай
Тел: +86-0510 87381808.
Мобильный: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Веб-сайт: www.lumispot-tech.com.
Время публикации: 18 сентября 2024 г.