Het basisprincipe van een laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) is gebaseerd op het fenomeen van gestimuleerde lichtemissie. Door een reeks nauwkeurige ontwerpen en structuren genereren lasers bundels met een hoge coherentie, monochromaticiteit en helderheid. Lasers worden veel gebruikt in de moderne technologie, onder andere in communicatie, geneeskunde, productie, meettechnologie en wetenschappelijk onderzoek. Hun hoge efficiëntie en nauwkeurige regeleigenschappen maken ze tot de kerncomponent van veel technologieën. Hieronder vindt u een gedetailleerde uitleg van de werkingsprincipes van lasers en de mechanismen van verschillende soorten lasers.
1. Gestimuleerde emissie
Gestimuleerde emissieis het fundamentele principe achter laseropwekking, voor het eerst voorgesteld door Einstein in 1917. Dit fenomeen beschrijft hoe coherentere fotonen worden geproduceerd door de interactie tussen licht en materie in aangeslagen toestand. Om gestimuleerde emissie beter te begrijpen, beginnen we met spontane emissie:
Spontane emissie: In atomen, moleculen of andere microscopische deeltjes kunnen elektronen externe energie (zoals elektrische of optische energie) absorberen en overgaan naar een hoger energieniveau, de zogenaamde aangeslagen toestand. Elektronen in de aangeslagen toestand zijn echter instabiel en keren na korte tijd terug naar een lager energieniveau, de zogenaamde grondtoestand. Tijdens dit proces geeft het elektron een foton af, wat spontane emissie is. Zulke fotonen zijn willekeurig qua frequentie, fase en richting en missen daardoor coherentie.
Gestimuleerde emissieDe sleutel tot gestimuleerde emissie is dat wanneer een elektron in aangeslagen toestand een foton tegenkomt met een energie die overeenkomt met zijn overgangsenergie, het foton het elektron kan aanzetten om terug te keren naar de grondtoestand en daarbij een nieuw foton vrij te geven. Het nieuwe foton is identiek aan het oorspronkelijke foton wat betreft frequentie, fase en voortplantingsrichting, wat resulteert in coherent licht. Dit fenomeen versterkt het aantal en de energie van fotonen aanzienlijk en vormt het kernmechanisme van lasers.
Positief feedbackeffect van gestimuleerde emissie:Bij het ontwerp van lasers wordt het gestimuleerde emissieproces meerdere keren herhaald, en dit positieve feedbackeffect kan het aantal fotonen exponentieel verhogen. Met behulp van een resonantieholte blijft de coherentie van de fotonen behouden en wordt de intensiteit van de lichtbundel continu verhoogd.
2. Gemiddelde winst
DewinstmediumHet kernmateriaal in de laser dat de versterking van fotonen en de laseroutput bepaalt. Het vormt de fysieke basis voor gestimuleerde emissie en de eigenschappen ervan bepalen de frequentie, golflengte en het uitgangsvermogen van de laser. Het type en de kenmerken van het versterkingsmedium beïnvloeden rechtstreeks de toepassing en prestaties van de laser.
ExcitatiemechanismeElektronen in het versterkingsmedium moeten door een externe energiebron naar een hoger energieniveau worden geëxciteerd. Dit proces wordt meestal bereikt door externe energietoevoersystemen. Veelvoorkomende excitatiemechanismen zijn onder andere:
Elektrisch pompen: Het exciteren van de elektronen in het versterkingsmedium door het aanleggen van een elektrische stroom.
Optisch pompen: Het medium exciteren met een lichtbron (zoals een flitslamp of een andere laser).
Energieniveausysteem: Elektronen in het versterkingsmedium zijn doorgaans verdeeld over specifieke energieniveaus. De meest voorkomende zijntwee-niveau systemenEnvier-niveau systemenIn een eenvoudig twee-niveausysteem gaan elektronen van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand en keren vervolgens terug naar de grondtoestand door middel van gestimuleerde emissie. In een vier-niveausysteem ondergaan elektronen complexere overgangen tussen verschillende energieniveaus, wat vaak resulteert in een hogere efficiëntie.
Soorten versterkingsmedia:
Gaswinst MediumBijvoorbeeld helium-neon (He-Ne) lasers. Gasversterkende media staan bekend om hun stabiele lichtopbrengst en vaste golflengte en worden veel gebruikt als standaard lichtbronnen in laboratoria.
Vloeibaar winstmediumBijvoorbeeld kleurstoflasers. Kleurstofmoleculen hebben goede excitatie-eigenschappen over verschillende golflengten, waardoor ze ideaal zijn voor afstembare lasers.
Solide winst mediumBijvoorbeeld Nd-lasers (neodymium-gedoteerde yttrium-aluminium-granaat). Deze lasers zijn zeer efficiënt en krachtig en worden veel gebruikt in industriële snij-, las- en medische toepassingen.
HalfgeleiderversterkingsmediumGalliumarsenide (GaAs)-materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in communicatie- en opto-elektronische apparaten, zoals laserdiodes.
3. Resonatorholte
DeresonatorholteEen structureel onderdeel van de laser dat wordt gebruikt voor feedback en versterking. De kernfunctie ervan is het verhogen van het aantal fotonen dat door gestimuleerde emissie wordt geproduceerd door deze in de holte te reflecteren en te versterken, waardoor een sterke en gerichte laseruitvoer ontstaat.
Structuur van de resonatorholte: Het bestaat meestal uit twee parallelle spiegels. Eén is een volledig reflecterende spiegel, bekend als deachteruitkijkspiegel, en de andere is een gedeeltelijk reflecterende spiegel, bekend als deuitvoerspiegelFotonen worden heen en weer gekaatst in de holte en worden versterkt door interactie met het versterkingsmedium.
Resonantieconditie:Het ontwerp van de resonatorholte moet aan bepaalde voorwaarden voldoen, zoals ervoor zorgen dat fotonen staande golven in de holte vormen. Hiervoor moet de lengte van de holte een veelvoud zijn van de lasergolflengte. Alleen lichtgolven die aan deze voorwaarden voldoen, kunnen effectief in de holte worden versterkt.
Uitgangsbalk: De gedeeltelijk reflecterende spiegel laat een deel van de versterkte lichtbundel door en vormt de uitgangsbundel van de laser. Deze bundel heeft een hoge richtingsgevoeligheid, coherentie en monochromaticiteit..
Wilt u meer weten of bent u geïnteresseerd in lasers, neem dan gerust contact met ons op:
Lumispot
Adres: Gebouw 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Telefoon: + 86-0510 87381808.
Mobiel: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Website: www.lumispot-tech.com
Plaatsingstijd: 18-09-2024