Основной принцип работы лазера (усиление света посредством вынужденного излучения) основан на явлении вынужденного излучения. Благодаря точным конструкциям и структурам 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 точность управления делают их ключевым компонентом многих технологий. Ниже приводится подробное объяснение принципов работы лазеров и механизмов различных типов лазеров.
1. Вынужденное излучение
Вынужденное излучение— фундаментальный принцип генерации лазерного излучения, впервые предложенный Эйнштейном в 1917 году. Это явление описывает, как при взаимодействии света с возбуждённым веществом образуются более когерентные фотоны. Чтобы лучше понять вынужденное излучение, начнём со спонтанного:
Спонтанное излучениеВ атомах, молекулах и других микроскопических частицах электроны могут поглощать внешнюю энергию (например, электрическую или оптическую) и переходить на более высокий энергетический уровень, называемый возбуждённым состоянием. Однако возбуждённые электроны нестабильны и через короткий промежуток времени возвращаются на более низкий энергетический уровень, называемый основным состоянием. В ходе этого процесса электрон испускает фотон, что представляет собой спонтанное излучение. Такие фотоны случайны по частоте, фазе и направлению, и поэтому не обладают когерентностью.
Вынужденное излучение: Ключ к индуцированному излучению заключается в том, что когда возбуждённый электрон сталкивается с фотоном, энергия которого совпадает с энергией перехода, фотон может побудить электрон вернуться в основное состояние, испуская новый фотон. Новый фотон идентичен исходному по частоте, фазе и направлению распространения, что приводит к когерентному свету. Это явление значительно увеличивает число и энергию фотонов и является основным механизмом работы лазеров.
Положительный обратный эффект стимулированной эмиссии: В конструкции лазеров процесс вынужденного излучения повторяется многократно, и этот эффект положительной обратной связи может экспоненциально увеличивать число фотонов. С помощью резонансной полости поддерживается когерентность фотонов, а интенсивность светового пучка непрерывно увеличивается.
2. Средний уровень усиления
Theсредний коэффициент усиленияЭто основной материал лазера, определяющий усиление фотонов и выходную мощность лазера. Он является физической основой вынужденного излучения, а его свойства определяют частоту, длину волны и выходную мощность лазера. Тип и характеристики активной среды напрямую влияют на область применения и производительность лазера.
Механизм возбуждения: Электроны в среде усиления необходимо возбудить до более высокого энергетического уровня с помощью внешнего источника энергии. Этот процесс обычно осуществляется с помощью внешних систем энергоснабжения. Распространенные механизмы возбуждения включают:
Электрическая насосная установка: Возбуждение электронов в активной среде путем подачи электрического тока.
Оптическая накачка: Возбуждение среды источником света (например, лампой-вспышкой или другим лазером).
Система уровней энергии: Электроны в среде усиления обычно распределены по определённым энергетическим уровням. Наиболее распространёнными являются:двухуровневые системыичетырехуровневые системыВ простой двухуровневой системе электроны переходят из основного состояния в возбуждённое, а затем возвращаются в основное состояние посредством вынужденного излучения. В четырёхуровневой системе электроны совершают более сложные переходы между различными энергетическими уровнями, что часто приводит к повышению эффективности.
Типы усиливающих сред:
Газоудерживающая среда: Например, гелий-неоновые (He-Ne) лазеры. Газовые активные среды известны своей стабильной выходной мощностью и фиксированной длиной волны и широко используются в качестве стандартных источников света в лабораториях.
Жидкая среда для усиления: Например, лазеры на красителях. Молекулы красителей обладают хорошими возбуждающими свойствами в диапазоне различных длин волн, что делает их идеальными для перестраиваемых лазеров.
Solid Gain Medium: Например, лазеры на неодимовом иттрий-алюминиевом гранате (Nd). Эти лазеры отличаются высокой эффективностью и мощностью и широко используются в промышленной резке, сварке и медицине.
Полупроводниковая среда усиления: Например, материалы на основе арсенида галлия (GaAs) широко используются в коммуникационных и оптоэлектронных устройствах, таких как лазерные диоды.
3. Резонаторная полость
Theрезонаторная полостьЭто структурный компонент лазера, используемый для обратной связи и усиления. Его основная функция — увеличение числа фотонов, генерируемых в результате вынужденного излучения, путём их отражения и усиления внутри резонатора, что позволяет генерировать мощный и сфокусированный лазерный поток.
Структура резонаторной полости: Обычно он состоит из двух параллельных зеркал. Одно из них – полностью отражающее зеркало, известное какзеркало заднего вида, а другой - частично отражающее зеркало, известное каквыходное зеркало. Фотоны отражаются вперед и назад внутри резонатора и усиливаются за счет взаимодействия с усиливающей средой.
Состояние резонансаКонструкция резонаторной полости должна отвечать определённым условиям, например, обеспечивать образование стоячих волн фотонами внутри резонатора. Для этого длина резонатора должна быть кратна длине волны лазера. Только световые волны, удовлетворяющие этим условиям, могут эффективно усиливаться внутри резонатора.
Выходной лучЧастично отражающее зеркало пропускает часть усиленного светового пучка, формируя выходной луч лазера. Этот луч обладает высокой направленностью, когерентностью и монохроматичностью..
Если вы хотите узнать больше или вас интересуют лазеры, свяжитесь с нами:
Люмиспот
Адрес: Здание 4, д. 99, ул. Фужун, 3-я улица, р-н Сишань, г. 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.