Det grundlæggende arbejdsprincip for en laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) er baseret på fænomenet stimuleret emission af lys. Gennem en række præcise designs og strukturer genererer lasere stråler med høj kohærens, monokromaticitet og lysstyrke. Lasere er meget udbredt i moderne teknologi, herunder inden for områder som kommunikation, medicin, fremstilling, måling og videnskabelig forskning. Deres høje effektivitet og præcise kontrolegenskaber gør dem til kernekomponenten i mange teknologier. Nedenfor er en detaljeret forklaring af arbejdsprincipperne for lasere og mekanismerne for forskellige typer lasere.
1. Stimuleret emission
Stimuleret emissioner det grundlæggende princip bag lasergenerering, først foreslået af Einstein i 1917. Dette fænomen beskriver, hvordan mere sammenhængende fotoner produceres gennem interaktionen mellem lys og stof i exciteret tilstand. For bedre at forstå stimuleret emission, lad os starte med spontan emission:
Spontan emission: I atomer, molekyler eller andre mikroskopiske partikler kan elektroner absorbere ekstern energi (såsom elektrisk eller optisk energi) og gå over til et højere energiniveau, kendt som den exciterede tilstand. Imidlertid er elektroner i exciteret tilstand ustabile og vil i sidste ende vende tilbage til et lavere energiniveau, kendt som grundtilstanden, efter en kort periode. Under denne proces frigiver elektronen en foton, som er spontan emission. Sådanne fotoner er tilfældige med hensyn til frekvens, fase og retning og mangler således sammenhæng.
Stimuleret emission: Nøglen til stimuleret emission er, at når en elektron i exciteret tilstand møder en foton med en energi, der matcher dens overgangsenergi, kan fotonen få elektronen til at vende tilbage til grundtilstanden, mens den frigiver en ny foton. Den nye foton er identisk med den oprindelige med hensyn til frekvens, fase og udbredelsesretning, hvilket resulterer i sammenhængende lys. Dette fænomen forstærker betydeligt antallet og energien af fotoner og er kernemekanismen i lasere.
Positiv feedback-effekt af stimuleret emission: I design af lasere gentages den stimulerede emissionsproces flere gange, og denne positive feedback-effekt kan eksponentielt øge antallet af fotoner. Ved hjælp af et resonanshulrum opretholdes fotonernes kohærens, og lysstrålens intensitet øges kontinuerligt.
2. Gain Medium
Devinde mediumer kernematerialet i laseren, der bestemmer forstærkningen af fotoner og laseroutputtet. Det er det fysiske grundlag for stimuleret emission, og dets egenskaber bestemmer laserens frekvens, bølgelængde og udgangseffekt. Forstærkningsmediets type og egenskaber påvirker direkte laserens anvendelse og ydeevne.
Excitationsmekanisme: Elektroner i forstærkningsmediet skal exciteres til et højere energiniveau af en ekstern energikilde. Denne proces opnås normalt af eksterne energiforsyningssystemer. Almindelige excitationsmekanismer omfatter:
Elektrisk pumpning: Excitering af elektronerne i forstærkningsmediet ved at påføre en elektrisk strøm.
Optisk pumpning: Spændende mediet med en lyskilde (såsom en blitzlampe eller en anden laser).
Energiniveausystem: Elektroner i forstærkningsmediet er typisk fordelt i specifikke energiniveauer. De mest almindelige erto-niveau systemerogfire-niveau systemer. I et simpelt to-niveau system går elektroner over fra grundtilstanden til den exciterede tilstand og vender derefter tilbage til grundtilstanden gennem stimuleret emission. I et fire-niveau system gennemgår elektroner mere komplekse overgange mellem forskellige energiniveauer, hvilket ofte resulterer i højere effektivitet.
Typer af Gain Media:
Gasforøgelse medium: For eksempel helium-neon (He-Ne) lasere. Gasforstærkningsmedier er kendt for deres stabile output og faste bølgelængde og er meget udbredt som standard lyskilder i laboratorier.
Liquid Gain Medium: For eksempel farvestoflasere. Farvestofmolekyler har gode excitationsegenskaber på tværs af forskellige bølgelængder, hvilket gør dem ideelle til afstembare lasere.
Solid Gain Medium: For eksempel Nd (neodym-doteret yttrium aluminium granat) lasere. Disse lasere er meget effektive og kraftfulde og er meget udbredt til industriel skæring, svejsning og medicinske applikationer.
Halvlederforstærkning medium: For eksempel er galliumarsenid (GaAs) materialer meget udbredt i kommunikation og optoelektroniske enheder såsom laserdioder.
3. Resonatorhulrum
Deresonatorhulrumer en strukturel komponent i laseren, der bruges til feedback og forstærkning. Dens kernefunktion er at øge antallet af fotoner produceret gennem stimuleret emission ved at reflektere og forstærke dem inde i hulrummet og dermed generere et stærkt og fokuseret laseroutput.
Resonatorhulrummets opbygning: Den består normalt af to parallelle spejle. Det ene er et fuldt reflekterende spejl, kendt sombakspejl, og den anden er et delvist reflekterende spejl, kendt somudgangsspejl. Fotoner reflekteres frem og tilbage i hulrummet og forstærkes gennem interaktion med forstærkningsmediet.
Resonanstilstand: Designet af resonatorhulrummet skal opfylde visse betingelser, såsom at sikre at fotoner danner stående bølger inde i hulrummet. Dette kræver, at hulrummets længde er et multiplum af laserbølgelængden. Kun lysbølger, der opfylder disse betingelser, kan effektivt forstærkes inde i hulrummet.
Udgangsstråle: Det delvist reflekterende spejl tillader en del af den forstærkede lysstråle at passere igennem og danner laserens udgangsstråle. Denne stråle har høj retningsbestemthed, sammenhæng og monokromaticitet.
Hvis du vil vide mere eller er interesseret i lasere, er du velkommen til at kontakte os:
Lumispot
Adresse: Bygning 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Kina
Tlf.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Hjemmeside: www.lumispot-tech.com
Indlægstid: 18. september 2024