Η βασική αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ (ενίσχυση φωτός με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας) βασίζεται στο φαινόμενο της διεγερμένης εκπομπής φωτός. Μέσα από μια σειρά ακριβών σχεδίων και δομών, τα λέιζερ δημιουργούν δοκούς με υψηλή συνοχή, μονοχρωματική και φωτεινότητα. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένων σε τομείς όπως η επικοινωνία, η ιατρική, η κατασκευή, η μέτρηση και η επιστημονική έρευνα. Η υψηλή απόδοση και τα ακριβή χαρακτηριστικά ελέγχου τους καθιστούν το βασικό στοιχείο πολλών τεχνολογιών. Παρακάτω είναι μια λεπτομερής εξήγηση των αρχών λειτουργίας των λέιζερ και των μηχανισμών διαφορετικών τύπων λέιζερ.
1. Διεγερμένη εκπομπή
Διεγερμένη εκπομπήείναι η θεμελιώδης αρχή πίσω από την παραγωγή λέιζερ, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1917. Αυτό το φαινόμενο περιγράφει πώς παράγονται πιο συνεκτικά φωτόνια μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ύλης φωτός και διεγερμένης κατάστασης. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τις διεγερμένες εκπομπές, ας ξεκινήσουμε με αυθόρμητη εκπομπή:
Αυθόρμητη εκπομπή: Σε άτομα, μόρια ή άλλα μικροσκοπικά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν εξωτερική ενέργεια (όπως ηλεκτρική ή οπτική ενέργεια) και μετάβαση σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, γνωστή ως διεγερμένη κατάσταση. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια διεγερμένης κατάστασης είναι ασταθή και τελικά θα επιστρέψουν σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας, γνωστή ως κατάσταση εδάφους, 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 όσον αφορά τη συχνότητα, τη φάση και την κατεύθυνση και επομένως δεν έχουν συνοχή.
Διεγερμένη εκπομπή: Το κλειδί για την τόνωση της εκπομπής είναι ότι όταν ένα ηλεκτρονικό ηλεκτρόνιο διεγείρεο κατάσταση συναντά ένα φωτόνιο με ενέργεια που ταιριάζει με την ενέργεια μετάβασης, το φωτόνιο μπορεί να ωθήσει το ηλεκτρόνιο να επιστρέψει στην κατάσταση του εδάφους ενώ απελευθερώνει 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 είναι ο βασικός μηχανισμός των λέιζερ.
Θετική επίδραση ανατροφοδότησης της διεγερμένης εκπομπής: Στο σχεδιασμό των λέιζερ, η διεγερμένη διαδικασία εκπομπής επαναλαμβάνεται πολλές φορές και αυτό το θετικό αποτέλεσμα ανάδρασης μπορεί να αυξήσει εκθετικά τον αριθμό των φωτονίων. Με τη βοήθεια μιας συντονιστικής κοιλότητας, διατηρείται η συνοχή των φωτονίων και η ένταση της δέσμης φωτός αυξάνεται συνεχώς.
2.
Οκέρδος μέσουείναι το υλικό πυρήνα στο λέιζερ που καθορίζει την ενίσχυση των φωτονίων και την έξοδο λέιζερ. Είναι η φυσική βάση για την διεγερμένη εκπομπή και οι ιδιότητές της 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 διέγερσης: Τα ηλεκτρόνια στο μέσο κέρδους πρέπει να είναι ενθουσιασμένοι με υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται συνήθως με εξωτερικά συστήματα παροχής ενέργειας. Οι συνήθεις μηχανισμοί διέγερσης περιλαμβάνουν:
Ηλεκτρική άντληση: Συναρπαστική τα ηλεκτρόνια στο μέσο κέρδους εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Οπτική άντληση: Συναρπαστικό το μέσο με πηγή φωτός (όπως λάμπα φλας ή άλλο λέιζερ).
Σύστημα ενεργειακών επιπέδων: Τα ηλεκτρόνια στο μέσο κέρδους κατανέμονται συνήθως σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Το πιο συνηθισμένο είναισυστήματα δύο επιπέδωνκαισυστήματα τεσσάρων επιπέδων. Σε ένα απλό σύστημα δύο επιπέδων, η μετάβαση ηλεκτρόνων από την κατάσταση του εδάφους στην διεγερμένη κατάσταση και στη συνέχεια επιστρέφει στην κατάσταση του εδάφους μέσω διεγερμένης εκπομπής. Σε ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων, τα ηλεκτρόνια υφίστανται πιο πολύπλοκες μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών επιπέδων ενέργειας, συχνά με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση.
Τύποι μέσων κέρδους:
Μέσο κέρδους αερίου: Για παράδειγμα, λέιζερ ηλίου-neon (he-ne). Τα μέσα κέρδους αερίου είναι γνωστά για τη σταθερή τους παραγωγή και το σταθερό μήκος κύματος και χρησιμοποιούνται ευρέως ως τυπικές πηγές φωτός στα εργαστήρια.
Μέσο κέρδους υγρού: Για παράδειγμα, λέιζερ βαφής. Τα μόρια βαφής έχουν καλές ιδιότητες διέγερσης σε διαφορετικά μήκη κύματος, καθιστώντας τα ιδανικά για συντονισμένα λέιζερ.
Μέσο κέρδους στερεού: Για παράδειγμα, Lasers ND (γρανάτη αλουμινίου ND (γρανάτη αλουμινίου ND (Neodymium. Αυτά τα λέιζερ είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά και ισχυρά και χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές κοπτικές, συγκόλληση και ιατρικές εφαρμογές.
Μέσος κέρδους ημιαγωγών: Για παράδειγμα, τα υλικά Arsenide (GAAS) γαλλίου (GAAS) χρησιμοποιούνται ευρέως στην επικοινωνία και τις οπτοηλεκτρονικές συσκευές όπως οι διόδους λέιζερ.
3.
Οκοιλότητα του συντονιστήείναι ένα δομικό στοιχείο στο λέιζερ που χρησιμοποιείται για ανατροφοδότηση και ενίσχυση. Η βασική του λειτουργία είναι να ενισχύσει τον αριθμό των φωτονίων που παράγονται μέσω της διεγερμένης εκπομπής, αντανακλώντας και ενισχύοντας τα μέσα στην κοιλότητα, δημιουργώντας έτσι μια ισχυρή και εστιασμένη έξοδο λέιζερ.
Δομή της κοιλότητας του συντονιστή: Συνήθως αποτελείται από δύο παράλληλους καθρέφτες. Το ένα είναι ένας πλήρως αντανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ως τοοπίσθιος καθρέφτης, και το άλλο είναι ένας μερικώς αντανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ως τοκαθρέφτης εξόδου. Τα φωτόνια αντανακλούν εμπρός και πίσω μέσα στην κοιλότητα και ενισχύονται μέσω αλληλεπίδρασης με το μέσο κέρδους.
Κατάσταση συντονισμού: Ο σχεδιασμός της κοιλότητας του συντονιστή πρέπει να πληροί ορισμένες προϋποθέσεις, όπως η διασφάλιση ότι τα φωτόνια σχηματίζουν κύματα που διαμορφώνουν μέσα στην κοιλότητα. Αυτό απαιτεί το μήκος της κοιλότητας να είναι ένα πολλαπλάσιο του μήκους κύματος λέιζερ. Μόνο τα ελαφρά κύματα που πληρούν αυτές τις συνθήκες μπορούν να ενισχυθούν αποτελεσματικά μέσα στην κοιλότητα.
Δοκός εξόδου: Ο μερικώς αντανακλαστικός καθρέφτης επιτρέπει τη διέλευση ενός τμήματος της ενισχυμένης δέσμης φωτός, σχηματίζοντας τη δέσμη εξόδου του λέιζερ. Αυτή η δέσμη έχει υψηλή κατεύθυνση, συνοχή και μονοχρωματική.
Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα ή ενδιαφέρεστε για λέιζερ, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας:
Φουντουπότη
Διεύθυνση: Κτίριο 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Κίνα
Τηλ: + 86-0510 87381808.
Κινητό: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Ιστοσελίδα: www.lumispot-tech.com
Χρόνος δημοσίευσης: Σεπ-18-2024