Η βασική αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ

Η βασική αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ (Ενίσχυση Φωτός μέσω Διεγερμένης Εκπομπής Ακτινοβολίας) βασίζεται στο φαινόμενο της διεγερμένης εκπομπής φωτός. Μέσω μιας σειράς ακριβών σχεδίων και δομών, τα λέιζερ παράγουν δέσμες με υψηλή συνοχή, μονοχρωματικότητα και φωτεινότητα. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένων τομέων όπως οι επικοινωνίες, η ιατρική, η κατασκευή, οι μετρήσεις και η επιστημονική έρευνα. Η υψηλή τους απόδοση και τα ακριβή χαρακτηριστικά ελέγχου τα καθιστούν βασικό συστατικό πολλών τεχνολογιών. Παρακάτω ακολουθεί μια λεπτομερής εξήγηση των αρχών λειτουργίας των λέιζερ και των μηχανισμών διαφορετικών τύπων λέιζερ.

1. Διεγερμένες Εκπομπές

Διεγερμένη εκπομπήείναι η θεμελιώδης αρχή πίσω από την παραγωγή λέιζερ, η οποία προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1917. Αυτό το φαινόμενο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο παράγονται πιο συνεκτικά φωτόνια μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης διεγερμένης κατάστασης. Για να κατανοήσουμε καλύτερα την διεγερμένη εκπομπή, ας ξεκινήσουμε με την αυθόρμητη εκπομπή:

Αυθόρμητη ΕκπομπήΣε άτομα, μόρια ή άλλα μικροσκοπικά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν εξωτερική ενέργεια (όπως ηλεκτρική ή οπτική ενέργεια) και να μεταβούν σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, γνωστό ως διεγερμένη κατάσταση. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια διεγερμένης κατάστασης είναι ασταθή και τελικά θα επιστρέψουν σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, γνωστό ως θεμελιώδη κατάσταση, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το ηλεκτρόνιο απελευθερώνει ένα φωτόνιο, το οποίο είναι αυθόρμητη εκπομπή. Τέτοια φωτόνια είναι τυχαία ως προς τη συχνότητα, τη φάση και την κατεύθυνση και επομένως δεν έχουν συνοχή.

Διεγερμένες ΕκπομπέςΤο κλειδί για την εξαναγκασμένη εκπομπή είναι ότι όταν ένα ηλεκτρόνιο σε διεγερμένη κατάσταση συναντά ένα φωτόνιο με ενέργεια που αντιστοιχεί στην ενέργεια μετάβασής του, το φωτόνιο μπορεί να ωθήσει το ηλεκτρόνιο να επιστρέψει στην βασική κατάσταση απελευθερώνοντας παράλληλα ένα νέο φωτόνιο. Το νέο φωτόνιο είναι πανομοιότυπο με το αρχικό όσον αφορά τη συχνότητα, τη φάση και την κατεύθυνση διάδοσης, με αποτέλεσμα το συνεκτικό φως. Αυτό το φαινόμενο ενισχύει σημαντικά τον αριθμό και την ενέργεια των φωτονίων και αποτελεί τον βασικό μηχανισμό των λέιζερ.

Θετική επίδραση ανάδρασης της διεγερμένης εκπομπήςΣτο σχεδιασμό των λέιζερ, η διαδικασία διεγερμένης εκπομπής επαναλαμβάνεται πολλές φορές και αυτό το φαινόμενο θετικής ανάδρασης μπορεί να αυξήσει εκθετικά τον αριθμό των φωτονίων. Με τη βοήθεια μιας συντονισμένης κοιλότητας, διατηρείται η συνοχή των φωτονίων και η ένταση της δέσμης φωτός αυξάνεται συνεχώς.

2. Μέσο κέρδος

Ομέσο κέρδουςείναι το υλικό του πυρήνα του λέιζερ που καθορίζει την ενίσχυση των φωτονίων και την έξοδο του λέιζερ. Αποτελεί τη φυσική βάση για την εξαναγκασμένη εκπομπή και οι ιδιότητές του καθορίζουν τη συχνότητα, το μήκος κύματος και την ισχύ εξόδου του λέιζερ. Ο τύπος και τα χαρακτηριστικά του μέσου κέρδους επηρεάζουν άμεσα την εφαρμογή και την απόδοση του λέιζερ.

Μηχανισμός διέγερσηςΤα ηλεκτρόνια στο μέσο κέρδους πρέπει να διεγείρονται σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται συνήθως με εξωτερικά συστήματα παροχής ενέργειας. Οι συνήθεις μηχανισμοί διέγερσης περιλαμβάνουν:

Ηλεκτρική άντλησηΔιέγερση των ηλεκτρονίων στο μέσο κέρδους με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος.

Οπτική άντλησηΔιέγερση του μέσου με μια πηγή φωτός (όπως μια λάμπα φλας ή άλλο λέιζερ).

Σύστημα επιπέδων ενέργειαςΤα ηλεκτρόνια στο μέσο κέρδους συνήθως κατανέμονται σε συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα. Τα πιο συνηθισμένα είναισυστήματα δύο επιπέδωνκαισυστήματα τεσσάρων επιπέδωνΣε ένα απλό σύστημα δύο επιπέδων, τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από την θεμελιώδη κατάσταση στην διεγερμένη κατάσταση και στη συνέχεια επιστρέφουν στην θεμελιώδη κατάσταση μέσω διεγερμένης εκπομπής. Σε ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων, τα ηλεκτρόνια υφίστανται πιο σύνθετες μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών επιπέδων, με αποτέλεσμα συχνά υψηλότερη απόδοση.

Τύποι μέσων κέρδους:

Μέσο κέρδους αερίουΓια παράδειγμα, λέιζερ ηλίου-νέονος (He-Ne). Τα μέσα κέρδους αερίου είναι γνωστά για τη σταθερή τους έξοδο και το σταθερό μήκος κύματος και χρησιμοποιούνται ευρέως ως τυπικές πηγές φωτός σε εργαστήρια.

Μεσαίο κέρδος υγρούΓια παράδειγμα, λέιζερ χρωστικής. Τα μόρια χρωστικής έχουν καλές ιδιότητες διέγερσης σε διαφορετικά μήκη κύματος, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για ρυθμιζόμενα λέιζερ.

Στερεό κέρδος ΜέσοΓια παράδειγμα, λέιζερ Nd (γράνα αλουμινίου υττρίου με προσμίξεις νεοδυμίου). Αυτά τα λέιζερ είναι εξαιρετικά αποδοτικά και ισχυρά και χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές κοπής, συγκόλλησης και ιατρικές εφαρμογές.

Μέσο κέρδους ημιαγωγώνΓια παράδειγμα, τα υλικά αρσενικούχου γαλλίου (GaAs) χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές επικοινωνίας και οπτοηλεκτρονικές συσκευές όπως οι δίοδοι λέιζερ.

3. Κοιλότητα συντονιστή

Οκοιλότητα συντονιστήείναι ένα δομικό στοιχείο του λέιζερ που χρησιμοποιείται για ανάδραση και ενίσχυση. Η βασική του λειτουργία είναι να αυξάνει τον αριθμό των φωτονίων που παράγονται μέσω διεγερμένης εκπομπής, ανακλώντας και ενισχύοντάς τα μέσα στην κοιλότητα, δημιουργώντας έτσι μια ισχυρή και εστιασμένη έξοδο λέιζερ.

Δομή της κοιλότητας του αντηχείουΣυνήθως αποτελείται από δύο παράλληλους καθρέφτες. Ο ένας είναι ένας πλήρως ανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ωςπίσω καθρέφτης, και το άλλο είναι ένας μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ωςκαθρέφτης εξόδουΤα φωτόνια ανακλώνται μπρος-πίσω μέσα στην κοιλότητα και ενισχύονται μέσω αλληλεπίδρασης με το μέσο κέρδους.

Συνθήκη συντονισμούΟ σχεδιασμός της κοιλότητας του συντονιστή πρέπει να πληροί ορισμένες προϋποθέσεις, όπως η διασφάλιση ότι τα φωτόνια σχηματίζουν στάσιμα κύματα μέσα στην κοιλότητα. Αυτό απαιτεί το μήκος της κοιλότητας να είναι πολλαπλάσιο του μήκους κύματος του λέιζερ. Μόνο τα φωτεινά κύματα που πληρούν αυτές τις προϋποθέσεις μπορούν να ενισχυθούν αποτελεσματικά μέσα στην κοιλότητα.

Δέσμη εξόδουΟ μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης επιτρέπει σε ένα μέρος της ενισχυμένης δέσμης φωτός να διέλθει, σχηματίζοντας τη δέσμη εξόδου του λέιζερ. Αυτή η δέσμη έχει υψηλή κατευθυντικότητα, συνοχή και μονοχρωματικότητα..

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα ή ενδιαφέρεστε για τα λέιζερ, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας:

Lumispot

Διεύθυνση: Κτίριο 4 #, Αρ. 99 Furong 3rd Road, Περιοχή Xishan. Wuxi, 214000, Κίνα

Τηλ.: + 86-0510 87381808.

Κινητό: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

Ιστότοπος: www.lumispot-tech.com