Det grundlæggende arbejdsprincip for en laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) er baseret på fænomenet stimuleret lysudsendelse. Gennem en række præcise designs og strukturer genererer lasere stråler med høj kohærens, monokromatisk karakter og lysstyrke. Lasere anvendes i vid udstrækning 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 laseres arbejdsprincipper og mekanismerne bag forskellige typer lasere.
1. Stimuleret emission
Stimuleret emissioner det grundlæggende princip bag lasergenerering, først foreslået af Einstein i 1917. Dette fænomen beskriver, hvordan mere kohærente fotoner produceres gennem interaktionen mellem lys og stof i exciteret tilstand. For bedre at forstå stimuleret emission, lad os starte med spontan emission:
Spontan emissionI atomer, molekyler eller andre mikroskopiske partikler kan elektroner absorbere ekstern energi (såsom elektrisk eller optisk energi) og overgå til et højere energiniveau, kendt som den exciterede tilstand. Imidlertid er exciterede elektroner ustabile og vil til sidst 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 derfor kohærens.
Stimuleret emissionNøglen til stimuleret emission er, at når en exciteret elektron møder en foton med en energi, der matcher dens overgangsenergi, kan fotonen få elektronen til at vende tilbage til grundtilstanden, samtidig med at den frigiver en ny foton. Den nye foton er identisk med den oprindelige med hensyn til frekvens, fase og udbredelsesretning, hvilket resulterer i kohærent lys. Dette fænomen forstærker antallet og energien af fotoner betydeligt og er den centrale mekanisme i lasere.
Positiv feedback-effekt af stimuleret emissionI design af lasere gentages den stimulerede emissionsproces flere gange, og denne positive feedback-effekt kan eksponentielt øge antallet af fotoner. Ved hjælp af et resonant hulrum opretholdes fotonernes kohærens, og lysstrålens intensitet øges kontinuerligt.
2. Forstærkningsmedium
Deforstærkningsmediumer kernematerialet i laseren, der bestemmer forstærkningen af fotoner og laserens output. 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.
ExcitationsmekanismeElektroner i forstærkningsmediet skal exciteres til et højere energiniveau af en ekstern energikilde. Denne proces opnås normalt ved hjælp af eksterne energiforsyningssystemer. Almindelige excitationsmekanismer omfatter:
Elektrisk pumpning: Excitering af elektronerne i forstærkningsmediet ved at påføre en elektrisk strøm.
Optisk pumpning: Ekscitering af mediet med en lyskilde (såsom en blitzlampe eller en anden laser).
EnerginiveausystemElektroner i forstærkningsmediet er typisk fordelt i specifikke energiniveauer. De mest almindelige erto-niveau systemerogfire-niveau systemerI et simpelt system med to niveauer overgår elektroner fra grundtilstand til exciteret tilstand og vender derefter tilbage til grundtilstanden gennem stimuleret emission. I et system med fire niveauer gennemgår elektroner mere komplekse overgange mellem forskellige energiniveauer, hvilket ofte resulterer i højere effektivitet.
Typer af forstærkningsmedier:
GasforstærkningsmediumFor eksempel helium-neon (He-Ne) lasere. Gasforstærkningsmedier er kendt for deres stabile output og faste bølgelængde og anvendes i vid udstrækning som standard lyskilder i laboratorier.
Flydende forstærkningsmediumFor eksempel farvestoflasere. Farvestofmolekyler har gode excitationsegenskaber på tværs af forskellige bølgelængder, hvilket gør dem ideelle til justerbare lasere.
Solid forstærkning MediumFor eksempel Nd (neodym-dopet yttriumaluminiumgranat) lasere. Disse lasere er yderst effektive og kraftfulde og anvendes i vid udstrækning i industriel skæring, svejsning og medicinske applikationer.
HalvlederforstærkningsmediumFor eksempel anvendes galliumarsenid (GaAs)-materialer i vid udstrækning i kommunikations- 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 en stærk og fokuseret laserudgang.
Strukturen af resonatorhulrummetDet består normalt af to parallelle spejle. Det ene er et fuldt reflekterende spejl, kendt sombakspejl, og den anden er et delvist reflekterende spejl, kendt somudgangsspejlFotoner reflekteres frem og tilbage i hulrummet og forstærkes gennem interaktion med forstærkningsmediet.
ResonanstilstandResonatorhulrummets design skal opfylde visse betingelser, såsom at sikre, at fotoner danner stående bølger inde i hulrummet. Dette kræver, at hulrummets længde er et multiplum af laserens bølgelængde. Kun lysbølger, der opfylder disse betingelser, kan forstærkes effektivt inde i hulrummet.
UdgangsstråleDet delvist reflekterende spejl tillader en del af den forstærkede lysstråle at passere igennem og danner laserens udgangsstråle. Denne stråle har høj retningsbestemthed, kohærens og monokromatisk karakter..
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 District. Wuxi, 214000, Kina
Tlf.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Hjemmeside: www.lumispot-tech.com
Opslagstidspunkt: 18. september 2024