Het basiswerkingsprincipe van een laser (lichtversterking door gestimuleerde uitstroomuitstroom) is gebaseerd op het fenomeen van gestimuleerde emissie van licht. Door een reeks precieze ontwerpen en structuren genereren lasers stralen met hoge coherentie, monochromaticiteit en helderheid. Lasers worden veel gebruikt in moderne technologie, ook op gebieden zoals communicatie, geneeskunde, productie, meting en wetenschappelijk onderzoek. Hun hoge efficiëntie en precieze controle -eigenschappen maken hen de kerncomponent van veel technologieën. Hieronder is een gedetailleerde uitleg van de werkprincipes van lasers en de mechanismen van verschillende soorten lasers.
1. Stimuleerde emissie
Gestimuleerde emissieis het fundamentele principe achter lasergeneratie, voor het eerst voorgesteld door Einstein in 1917. Dit fenomeen beschrijft hoe meer coherente fotonen worden geproduceerd door de interactie tussen lichte en opgewonden staten. Om gestimuleerde emissie beter te begrijpen, laten we beginnen 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, bekend als de opgewonden toestand. Elektronen van geëxciteerde toestand zijn echter onstabiel en zullen uiteindelijk na een korte periode terugkeren naar een lager energieniveau, bekend als de grondtoestand. Tijdens dit proces brengt het elektron een foton af, wat spontane emissie is. Dergelijke fotonen zijn willekeurig in termen van frequentie, fase en richting en ontbreken dus samenhang.
Gestimuleerde emissie: De sleutel tot gestimuleerde emissie is dat wanneer een geëxciteerde-state elektron een foton tegenkomt met een energie die overeenkomt met de overgangsenergie, het foton het elektron kan ertoe aanzetten terug te keren naar de grondtoestand terwijl een nieuw foton wordt vrijgegeven. Het nieuwe foton is identiek aan de originele in termen van frequentie-, fase- en voortplantingsrichting, wat resulteert in coherent licht. Dit fenomeen versterkt aanzienlijk het aantal en de energie van fotonen en is het kernmechanisme van lasers.
Positief feedback -effect van gestimuleerde emissie: In het ontwerp van lasers wordt het gestimuleerde emissieproces meerdere keren herhaald en kan dit positieve feedback -effect het aantal fotonen exponentieel verhogen. Met behulp van een resonerende holte wordt de samenhang van fotonen gehandhaafd en wordt de intensiteit van de lichtstraal continu verhoogd.
2. Winst medium
DeMedium krijgenis het kernmateriaal in de laser dat de versterking van fotonen en de laseruitgang bepaalt. Het is de fysieke basis voor gestimuleerde emissie en de eigenschappen ervan bepalen de frequentie, golflengte en uitgangsvermogen van de laser. Het type en kenmerken van het versterkingsmedium beïnvloeden direct de toepassing en prestaties van de laser.
Excitatiemechanisme: Elektronen in het versterkingsmedium moeten worden opgewonden naar een hoger energieniveau door een externe energiebron. Dit proces wordt meestal bereikt door externe energievoorzieningssystemen. Veelvoorkomende excitatiemechanismen omvatten:
Elektrisch pompen: De elektronen in het versterkingsmedium opwindend door een elektrische stroom aan te brengen.
Optisch pompen: Het medium opwindend met een lichtbron (zoals een flashlamp of een andere laser).
Energieniveaus systeem: Elektronen in het versterkingsmedium worden meestal verdeeld in specifieke energieniveaus. De meest voorkomende zijnSystemen op twee niveausEnSystemen op vier niveaus. In een eenvoudig systeem met twee niveaus gaan elektronen over van de grondtoestand naar de geëxciteerde toestand en keren vervolgens terug naar de grondtoestand door gestimuleerde emissie. In een systeem op vier niveaus ondergaan elektronen complexere overgangen tussen verschillende energieniveaus, vaak resulterend in een hogere efficiëntie.
Soorten winst media:
Gasversterking medium: Bijvoorbeeld helium-neon (He-Ne) lasers. Gasversterkingsmedia staan bekend om hun stabiele output en vaste golflengte en worden veel gebruikt als standaard lichtbronnen in laboratoria.
Vloeibare winst medium: Bijvoorbeeld kleurstof lasers. Kleurstofmoleculen hebben goede excitatie -eigenschappen over verschillende golflengten, waardoor ze ideaal zijn voor instelbare lasers.
Medium voor vaste winst: Bijvoorbeeld ND (neodymium-gedoteerde yttrium aluminium granaat) lasers. Deze lasers zijn zeer efficiënt en krachtig en worden veel gebruikt in industriële snij-, lassen- en medische toepassingen.
Halfgeleider gain medium: Gallium -arsenide (GaAs) -materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in communicatie en opto -elektronische apparaten zoals laserdioden.
3. Resonatorholte
DeResonatorholteis een structurele component in de laser die wordt gebruikt voor feedback en versterking. De kernfunctie is het verbeteren van het aantal fotonen dat wordt geproduceerd door gestimuleerde emissie door ze te reflecteren en te versterken in de holte, waardoor een sterke en gerichte laseroutput wordt gegenereerd.
Structuur van de resonatorholte: Het bestaat meestal uit twee parallelle spiegels. Een daarvan is een volledig reflecterende spiegel, bekend als deachterspiegel, en de andere is een gedeeltelijk reflecterende spiegel, bekend als deoutputspiegel. Fotonen reflecteren heen en weer in de holte en worden versterkt door interactie met het versterkingsmedium.
Resonantiestaat: Het ontwerp van de resonatorholte moet aan bepaalde omstandigheden voldoen, zoals ervoor zorgen dat fotonen staande golven vormen in de holte. Dit vereist dat de holtlengte een veelvoud van de lasergolflengte is. Alleen lichtgolven die aan deze omstandigheden voldoen, kunnen effectief worden versterkt in de holte.
Outputstraal: Met de gedeeltelijk reflecterende spiegel kan een deel van de versterkte lichtstraal doorgaan, waardoor de uitgangsbundel van de laser wordt gevormd. Deze balk heeft hoge directionaliteit, samenhang en monochromaticiteit.
Als u meer wilt weten of geïnteresseerd bent in lasers, neem dan gerust contact met ons op:
Lumispot
Adres: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobiel: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Website: www.lumispot-tech.com
Posttijd: SEP-18-2024