Het fundamentele werkingsprincipe van een laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) is gebaseerd op het fenomeen van gestimuleerde emissie van licht. Via een reeks precieze ontwerpen en structuren genereren lasers stralen met een hoge coherentie, monochromaticiteit en helderheid. Lasers worden veel gebruikt in de moderne technologie, onder meer op gebieden als communicatie, geneeskunde, productie, metingen 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 lasergeneratie, voor het eerst voorgesteld door Einstein in 1917. Dit fenomeen beschrijft hoe meer coherente fotonen worden geproduceerd door de interactie tussen licht en materie in opgewonden toestand. Om de gestimuleerde emissie beter te begrijpen, beginnen we met de spontane emissie:
Spontane emissie: In atomen, moleculen of andere microscopische deeltjes kunnen elektronen externe energie absorberen (zoals elektrische of optische energie) en overgaan naar een hoger energieniveau, bekend als de aangeslagen toestand. Elektronen in de geëxciteerde toestand zijn echter onstabiel en zullen uiteindelijk na korte tijd terugkeren naar een lager energieniveau, bekend als de grondtoestand. Tijdens dit proces laat het elektron een foton vrij, wat spontane emissie is. Dergelijke fotonen zijn willekeurig wat betreft frequentie, fase en richting, en missen dus coherentie.
Gestimuleerde emissie: De sleutel tot gestimuleerde emissie is dat wanneer een elektron in de geëxciteerde toestand een foton tegenkomt met een energie die overeenkomt met zijn transitie-energie, het foton het elektron ertoe kan aanzetten terug te keren naar de grondtoestand terwijl een nieuw foton vrijkomt. Het nieuwe foton is identiek aan het origineel wat betreft frequentie, fase en voortplantingsrichting, wat resulteert in coherent licht. Dit fenomeen versterkt het aantal en de energie van fotonen aanzienlijk en is 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 vergroten. Met behulp van een resonantieholte wordt de coherentie van fotonen behouden en wordt de intensiteit van de lichtbundel voortdurend verhoogd.
2. Verkrijg medium
Degemiddelde winstis het kernmateriaal in de laser dat de versterking van fotonen en de laseropbrengst 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 de kenmerken van het versterkingsmedium hebben rechtstreeks invloed op de toepassing en prestaties van de laser.
Excitatiemechanisme: Elektronen in het versterkingsmedium moeten door een externe energiebron naar een hoger energieniveau worden opgewonden. Dit proces wordt meestal bereikt door externe energievoorzieningssystemen. Veel voorkomende excitatiemechanismen zijn onder meer:
Elektrisch pompen: Excitatie van de elektronen in het versterkingsmedium door een elektrische stroom aan te leggen.
Optisch pompen: Het medium opwinden met een lichtbron (zoals een flitslamp of een andere laser).
Energieniveausysteem: Elektronen in het versterkingsmedium worden doorgaans verdeeld in specifieke energieniveaus. De meest voorkomende zijnsystemen op twee niveausEnsystemen met vier niveaus. In een eenvoudig systeem met twee niveaus gaan elektronen over van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand en keren vervolgens door gestimuleerde emissie terug naar de grondtoestand. In een systeem met vier niveaus ondergaan elektronen complexere overgangen tussen verschillende energieniveaus, wat vaak resulteert in een hogere efficiëntie.
Soorten versterkingsmedia:
Gasversterkingsmedium: Bijvoorbeeld helium-neon (He-Ne) lasers. Gasversterkingsmedia staan bekend om hun stabiele output en vaste golflengte, en worden veel gebruikt als standaardlichtbronnen in laboratoria.
Vloeibaar versterkingsmedium: Bijvoorbeeld kleurstoflasers. Kleurstofmoleculen hebben goede excitatie-eigenschappen over verschillende golflengten, waardoor ze ideaal zijn voor afstembare lasers.
Solide versterkingsmedium: Bijvoorbeeld 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.
Halfgeleiderversterkingsmedium: Galliumarsenide (GaAs)-materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in communicatie- en opto-elektronische apparaten zoals laserdiodes.
3. Resonatorholte
Deresonator holteis een structurele component in de laser die wordt gebruikt voor feedback en versterking. De kernfunctie ervan is het vergroten van het aantal fotonen dat wordt geproduceerd door gestimuleerde emissie door ze in de holte te reflecteren en te versterken, waardoor een sterke en gerichte laseruitvoer wordt gegenereerd.
Structuur van de resonatorholte: Het bestaat meestal uit twee parallelle spiegels. De ene is een volledig reflecterende spiegel, bekend als deachteruitkijkspiegel, en de andere is een gedeeltelijk reflecterende spiegel, bekend als deuitgangsspiegel. Fotonen reflecteren heen en weer in de holte en worden versterkt door interactie met het versterkingsmedium.
Resonantie Conditie: Het ontwerp van de resonatorholte moet aan bepaalde voorwaarden voldoen, zoals ervoor zorgen dat fotonen staande golven vormen in de holte. Dit vereist dat de lengte van de holte een veelvoud is van de lasergolflengte. Alleen lichtgolven die aan deze voorwaarden voldoen, kunnen effectief worden versterkt in de holte.
Uitgangsstraal: De gedeeltelijk reflecterende spiegel laat een deel van de versterkte lichtstraal door, waardoor de uitgangsstraal van de laser wordt gevormd. Deze straal heeft een hoge richtingsgevoeligheid, coherentie en monochromaticiteit.
Als u meer wilt weten of geïnteresseerd bent in lasers, neem dan gerust contact met ons op:
Lumispot
Adres: Gebouw 4 #, Furong 3rd Road nr. 99, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobiel: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Website: www.lumispot-tech.com
Posttijd: 18 september 2024