Основной принцип работы лазера (усиление света путем вынужденного излучения) основан на явлении вынужденного излучения света. 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 основным компонентом многих технологий. Ниже приводится подробное объяснение принципов работы лазеров и механизмов различных типов лазеров.
1. Вынужденная эмиссия
Вынужденное излучениеявляется фундаментальным принципом генерации лазера, впервые предложенным Эйнштейном в 1917 году. Это явление описывает, как более когерентные фотоны производятся посредством взаимодействия света и материи в возбужденном состоянии. Чтобы лучше понять стимулированное излучение, давайте 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 в конечном итоге вернутся на более низкий энергетический уровень, известный как основное состояние, через короткий промежуток времени. Во время этого процесса электрон испускает фотон, что является спонтанным излучением. Такие фотоны случайны с точки зрения частоты, фазы и направления и, таким образом, лишены когерентности.
Вынужденная эмиссия: Ключ к вынужденному излучению заключается в том, что когда возбужденный электрон сталкивается с фотоном с энергией, соответствующей его энергии перехода, фотон может побудить электрон вернуться в основное состояние, высвобождая 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.
Положительный эффект обратной связи от стимулированной эмиссии: В конструкции лазеров процесс вынужденного излучения повторяется многократно, и этот эффект положительной обратной связи может экспоненциально увеличивать количество фотонов. С помощью резонансной полости поддерживается когерентность фотонов, а интенсивность светового пучка непрерывно увеличивается.
2. Средний уровень усиления
Theсредний коэффициент усиленияявляется основным материалом в лазере, который определяет усиление фотонов и выходную мощность лазера. Это физическая основа для стимулированного 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 среде усиления должны быть возбуждены до более высокого энергетического уровня внешним источником энергии. Этот процесс обычно достигается внешними системами подачи энергии. Обычные механизмы возбуждения включают:
Электрическая насосная установка: Возбуждение электронов в активной среде путем подачи электрического тока.
Оптическая накачка: Возбуждение среды источником света (например, импульсной лампой или другим лазером).
Система уровней энергии: Электроны в среде усиления обычно распределены 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 совершают более сложные переходы между различными энергетическими уровнями, что часто приводит к более высокой эффективности.
Типы усиливающих сред:
Газовый прирост средний: Например, гелий-неоновые (He-Ne) лазеры. Газовые усиливающие среды известны своей стабильной выходной мощностью и фиксированной длиной волны и широко используются в качестве стандартных источников света в лабораториях.
Жидкий прирост среды: Например, лазеры на красителях. Молекулы красителей обладают хорошими свойствами возбуждения на разных длинах волн, что делает их идеальными для перестраиваемых лазеров.
Твердый прирост средний: Например, лазеры Nd (легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат). Эти лазеры очень эффективны и мощны, и широко используются в промышленной резке, сварке и медицинских приложениях.
Полупроводниковый усилитель: Например, материалы на основе арсенида галлия (GaAs) широко используются в коммуникационных и оптоэлектронных устройствах, таких как лазерные диоды.
3. Резонаторная полость
Theрезонаторная полостьструктурный компонент лазера, используемый для обратной связи и усиления. Его основная функция — увеличить количество фотонов, производимых посредством вынужденного излучения, путем их отражения и усиления внутри полости, тем самым создавая сильный и сфокусированный лазерный выход.
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 полости и усиливаются за счет взаимодействия с усиливающей средой.
Состояние резонанса: Конструкция полости резонатора должна соответствовать определенным условиям, например, обеспечивать образование фотонами стоячих волн внутри полости. Для этого требуется, чтобы длина полости была кратна длине волны лазера. Только световые волны, соответствующие этим условиям, могут эффективно усиливаться внутри полости.
Выходной луч: Частично отражающее зеркало пропускает часть усиленного светового луча, формируя выходной луч лазера. Этот луч имеет высокую направленность, когерентность и монохроматичность.
Если вы хотите узнать больше или вас интересуют лазеры, свяжитесь с нами:
Люмиспот
Адрес: Здание 4 #, № 99 Furong 3rd Road, район Сишань, Уси, 214000, Китай
Тел.: + 86-0510 87381808.
Мобильный: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Сайт: www.lumispot-tech.com
Время публикации: 18-сен-2024