Het basiswerkingsprincipe van een laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) is gebaseerd op het fenomeen van gestimuleerde emissie van licht. Door een reeks nauwkeurige ontwerpen en structuren genereren lasers stralen met een hoge coherentie, monochromaticiteit en helderheid. Lasers worden veelvuldig gebruikt in de moderne technologie, onder andere in de communicatie, geneeskunde, productie, meting en wetenschappelijk onderzoek. Hun hoge efficiëntie en nauwkeurige regelbaarheid maken ze tot een essentieel onderdeel van veel technologieën. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg van de werkingsprincipes van lasers en de mechanismen van verschillende soorten lasers.
1. Gestimuleerde emissie
Gestimuleerde emissieGestimuleerde emissie is het fundamentele principe achter lasergeneratie, voor het eerst voorgesteld door Einstein in 1917. Dit fenomeen beschrijft hoe coherentere fotonen worden geproduceerd door de interactie tussen licht en materie in een aangeslagen toestand. Om gestimuleerde emissie beter te begrijpen, beginnen we met spontane emissie:
Spontane emissieIn 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 grondtoestand. Tijdens dit proces zendt het elektron een foton uit, wat spontane emissie wordt genoemd. Zulke fotonen zijn willekeurig qua frequentie, fase en richting en missen daardoor coherentie.
Gestimuleerde emissieHet belangrijkste principe van gestimuleerde emissie is dat wanneer een elektron in een aangeslagen toestand een foton tegenkomt met een energie die overeenkomt met zijn overgangsenergie, het foton het elektron ertoe kan aanzetten terug te keren naar de grondtoestand, waarbij een nieuw foton vrijkomt. 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 terugkoppelingseffect van gestimuleerde emissieBij het ontwerpen van lasers wordt het gestimuleerde emissieproces meerdere malen herhaald, en dit positieve terugkoppelingseffect kan het aantal fotonen exponentieel verhogen. Met behulp van een resonantieholte wordt de coherentie van de fotonen behouden en de intensiteit van de lichtbundel continu verhoogd.
2. Gemiddelde winst
Dewinst mediumHet versterkingsmedium is het 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 hebben een directe invloed op de toepassing en de prestaties van de laser.
OpwekkingsmechanismeElektronen in het versterkingsmedium moeten door een externe energiebron naar een hoger energieniveau worden gebracht. Dit proces wordt meestal bewerkstelligd door externe energievoorzieningssystemen. Veelvoorkomende excitatiemechanismen zijn onder andere:
Elektrische pompHet exciteren van de elektronen in het versterkingsmedium door het aanleggen van een elektrische stroom.
Optische pomping: Het medium exciteren met een lichtbron (zoals een flitslamp of een andere laser).
EnergieniveausysteemElektronen in het versterkingsmedium zijn doorgaans verdeeld over specifieke energieniveaus. De meest voorkomende zijn:twee-niveau systemenEnvier-niveau systemenIn een eenvoudig twee-niveausysteem gaan elektronen over van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand en keren vervolgens via gestimuleerde emissie terug naar de grondtoestand. In een vier-niveausysteem ondergaan elektronen complexere overgangen tussen verschillende energieniveaus, wat vaak resulteert in een hogere efficiëntie.
Soorten versterkingsmedia:
Gaswinst gemiddeldBijvoorbeeld helium-neon (He-Ne) lasers. Gasvormige versterkingsmedia staan bekend om hun stabiele output en vaste golflengte en worden veelvuldig gebruikt als standaard lichtbronnen in laboratoria.
Vloeibare winst mediumBijvoorbeeld kleurstoflasers. Kleurstofmoleculen hebben goede excitatie-eigenschappen over verschillende golflengten, waardoor ze ideaal zijn voor afstemmbare lasers.
Solide versterking gemiddeldBijvoorbeeld Nd-lasers (neodymium-gedoteerd yttriumaluminiumgranaat). Deze lasers zijn zeer efficiënt en krachtig en worden veel gebruikt bij industrieel snijden, lassen en in medische toepassingen.
Halfgeleider versterkingsmediumGalliumarsenide (GaAs) materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in communicatie- en opto-elektronische apparaten zoals laserdiode's.
3. Resonantieholte
DeresonantieholteHet is een structureel onderdeel in de laser dat wordt gebruikt voor terugkoppeling en versterking. De kernfunctie ervan is het verhogen van het aantal fotonen dat wordt geproduceerd door gestimuleerde emissie, door ze te reflecteren en te versterken in de holte, waardoor een sterke en gefocusseerde laseroutput wordt gegenereerd.
Structuur van de resonantieholteHet bestaat meestal uit twee parallelle spiegels. Eén daarvan is een volledig reflecterende spiegel, bekend als deachteruitkijkspiegelen de andere is een gedeeltelijk reflecterende spiegel, bekend als deuitvoerspiegelFotonen weerkaatsen heen en weer binnen de holte en worden versterkt door interactie met het versterkingsmedium.
ResonantieconditieHet ontwerp van de resonantieholte 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 laser golflengte. Alleen lichtgolven die aan deze voorwaarden voldoen, kunnen effectief worden versterkt in de holte.
Uitgaande straalDe gedeeltelijk reflecterende spiegel laat een deel van de versterkte lichtbundel door, waardoor de uitgangsbundel van de laser ontstaat. Deze bundel heeft een hoge directionaliteit, coherentie en monochromaticiteit..
Wilt u meer weten of bent u geïnteresseerd in lasers? Neem dan gerust contact met ons op.
Lumispot
Adres: Gebouw 4, nr. 99 Furong 3e Weg, Xishan District, Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobiel: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Website: www.lumispot-tech.com
Geplaatst op: 18 september 2024