Η βασική αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) βασίζεται στο φαινόμενο της διεγερμένης εκπομπής φωτός. Μέσω μιας σειράς ακριβών σχεδίων και δομών, τα λέιζερ δημιουργούν δέσμες με υψηλή συνοχή, μονοχρωματικότητα και φωτεινότητα. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία, μεταξύ άλλων σε τομείς όπως η επικοινωνία, η ιατρική, η κατασκευή, η μέτρηση και η επιστημονική έρευνα. Η υψηλή απόδοση και τα ακριβή χαρακτηριστικά ελέγχου τους τα καθιστούν το βασικό συστατικό πολλών τεχνολογιών. Παρακάτω είναι μια λεπτομερής επεξήγηση των αρχών λειτουργίας των λέιζερ και των μηχανισμών διαφορετικών τύπων λέιζερ.
1. Διεγερμένη εκπομπή
Διεγερμένη εκπομπήείναι η θεμελιώδης αρχή πίσω από τη δημιουργία λέιζερ, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1917. Αυτό το φαινόμενο περιγράφει πώς 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 Εκπομπή: Σε 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 θεμελιώδης κατάσταση, μετά από μια σύντομη περίοδο. 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 στερούνται συνοχής.
Διεγερμένη εκπομπή: Το κλειδί για την διεγερμένη εκπομπή είναι ότι όταν ένα ηλεκτρόνιο διεγερμένης κατάστασης συναντά ένα φωτόνιο με ενέργεια που ταιριάζει με την ενέργεια μετάπτωσης, το φωτόνιο μπορεί να προτρέψει το ηλεκτρόνιο να επιστρέψει στη θεμελιώδη κατάσταση ενώ απελευθερώνει ένα νέο φωτόνιο. Το νέο φωτόνιο είναι πανομοιότυπο με το αρχικό ως προς 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 Ανάδραση Επίδραση Διεγερμένης Εκπομπής: Στο σχεδιασμό των λέιζερ, η διαδικασία διεγερμένης εκπομπής επαναλαμβάνεται πολλές φορές και αυτό το θετικό αποτέλεσμα ανάδρασης μπορεί να αυξήσει εκθετικά τον αριθμό των φωτονίων. Με τη βοήθεια μιας κοιλότητας συντονισμού, η συνοχή των φωτονίων διατηρείται και η ένταση της δέσμης φωτός αυξάνεται συνεχώς.
2. Κέρδος Μέσο
Οκέρδος μέσοείναι το υλικό πυρήνα στο λέιζερ που καθορίζει την ενίσχυση των φωτονίων και την έξοδο του λέιζερ. Αποτελεί τη φυσική βάση για την διεγερμένη εκπομπή και οι ιδιότητές του καθορίζουν τη συχνότητα, το μήκος κύματος και την ισχύ εξόδου του λέιζερ. Ο τύπος και τα χαρακτηριστικά του μέσου απολαβής επηρεάζουν άμεσα την εφαρμογή και την απόδοση του λέιζερ.
Μηχανισμός Διέγερσης: Τα ηλεκτρόνια στο μέσο απολαβής πρέπει να διεγείρονται σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από μια εξωτερική πηγή ενέργειας. Αυτή η διαδικασία συνήθως επιτυγχάνεται από εξωτερικά συστήματα παροχής ενέργειας. Οι κοινοί μηχανισμοί διέγερσης περιλαμβάνουν:
Ηλεκτρική άντληση: Διέγερση των ηλεκτρονίων στο μέσο απολαβής με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος.
Οπτική άντληση: Διέγερση του μέσου με μια πηγή φωτός (όπως μια λάμπα φλας ή άλλο λέιζερ).
Σύστημα Επιπέδων Ενέργειας: Τα ηλεκτρόνια στο μέσο απολαβής συνήθως κατανέμονται σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Τα πιο συνηθισμένα είναισυστήματα δύο επιπέδωνκαισυστήματα τεσσάρων επιπέδων. Σε ένα απλό σύστημα δύο επιπέδων, τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από τη θεμελιώδη κατάσταση στη διεγερμένη κατάσταση και στη συνέχεια επιστρέφουν στη θεμελιώδη κατάσταση μέσω διεγερμένης εκπομπής. Σε ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων, τα ηλεκτρόνια υφίστανται πιο περίπλοκες μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών επιπέδων ενέργειας, με αποτέλεσμα συχνά υψηλότερη απόδοση.
Τύποι μέσων κέρδους:
Μέσο κέρδους αερίου: Για παράδειγμα, λέιζερ ηλίου-νέον (He-Ne). Τα μέσα απολαβής αερίου είναι γνωστά για τη σταθερή έξοδο και το σταθερό μήκος κύματος τους και χρησιμοποιούνται ευρέως ως τυπικές πηγές φωτός στα εργαστήρια.
Μέσο κέρδους υγρού: Για παράδειγμα, λέιζερ βαφής. Τα μόρια της χρωστικής έχουν καλές ιδιότητες διέγερσης σε διαφορετικά μήκη κύματος, καθιστώντας τα ιδανικά για συντονίσιμα λέιζερ.
Στερεό μέσο απολαβής: Για παράδειγμα, λέιζερ Nd (νεοδυμίου με πρόσμειξη γρανάτη αλουμινίου υττρίου). Αυτά τα λέιζερ είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά και ισχυρά και χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανική κοπή, τη συγκόλληση και τις ιατρικές εφαρμογές.
Μέσο απολαβής ημιαγωγών: Για παράδειγμα, τα υλικά αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές επικοινωνίας και οπτοηλεκτρονικές συσκευές όπως οι δίοδοι λέιζερ.
3. Κοιλότητα αντηχείου
Οκοιλότητα αντηχείουείναι ένα δομικό στοιχείο στο λέιζερ που χρησιμοποιείται για ανάδραση και ενίσχυση. Η βασική του λειτουργία είναι να ενισχύει 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 αντηχείου: Συνήθως αποτελείται από δύο παράλληλα κάτοπτρα. Το ένα είναι ένας πλήρως ανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ως τοπίσω καθρέφτης, και το άλλο είναι ένας μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης, γνωστός ως τοκαθρέφτης εξόδου. Τα φωτόνια αντανακλούν εμπρός και πίσω μέσα στην κοιλότητα και ενισχύονται μέσω της αλληλεπίδρασης με το μέσο απολαβής.
Κατάσταση συντονισμού: Ο 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 κύματα φωτός που πληρούν αυτές τις συνθήκες μπορούν να ενισχυθούν αποτελεσματικά μέσα στην κοιλότητα.
Δέσμη εξόδου: Ο μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης επιτρέπει σε ένα τμήμα της ενισχυμένης δέσμης φωτός να περάσει, σχηματίζοντας τη δέσμη εξόδου του λέιζερ. Αυτή η δέσμη έχει υψηλή κατευθυντικότητα, συνοχή και μονοχρωματικότητα.
Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα ή ενδιαφέρεστε για λέιζερ, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας:
Lumispot
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
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-18-2024