A lézer alapvető működési elve (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a stimulált fénykibocsátás jelenségén alapul. A lézerek egy sor precíz tervezésen és szerkezeten keresztül nagy koherenciájú, monokromatikus és fényes nyalábokat állítanak elő. A lézereket széles körben használják a modern technológiában, többek között olyan területeken, mint a kommunikáció, az orvostudomány, a gyártás, a mérés és a tudományos kutatás. Nagy hatékonyságuk és precíz vezérlési jellemzőik számos technológia központi elemévé teszik őket. Az alábbiakban részletesen ismertetjük a lézerek működési elveit és a különböző típusú lézerek mechanizmusait.
1. Stimulált kibocsátás
Stimulált emisszióez a lézergenerálás mögött meghúzódó alapelv, amelyet először Einstein javasolt 1917-ben. Ez a jelenség leírja, hogyan keletkeznek koherensebb fotonok a fény és a gerjesztett állapotú anyag kölcsönhatása révén. A stimulált emisszió jobb megértéséhez kezdjük a spontán emisszióval:
Spontán kibocsátás: Az atomokban, molekulákban vagy más mikroszkopikus részecskékben az elektronok elnyelhetik a külső energiát (például elektromos vagy optikai energiát), és magasabb energiaszintre léphetnek át, amelyet gerjesztett állapotnak neveznek. A gerjesztett állapotú elektronok azonban instabilok, és rövid idő után visszatérnek egy alacsonyabb energiaszintre, amelyet alapállapotnak neveznek. A folyamat során az elektron fotont szabadít fel, ami spontán emisszió. Az ilyen fotonok frekvenciát, fázist és irányt tekintve véletlenszerűek, ezért hiányzik a koherencia.
Stimulált kibocsátás: A stimulált emisszió kulcsa az, hogy amikor egy gerjesztett állapotú elektron találkozik egy fotonnal, amelynek energiája megegyezik az átmeneti energiájával, a foton arra készteti az elektront, hogy visszatérjen az alapállapotba, miközben új fotont szabadít fel. Az új foton frekvenciáját, fázisát és terjedési irányát tekintve megegyezik az eredetivel, így koherens fényt eredményez. Ez a jelenség jelentősen felerősíti a fotonok számát és energiáját, és a lézerek fő mechanizmusa.
A stimulált kibocsátás pozitív visszacsatolási hatása: A lézerek tervezésénél a stimulált emissziós folyamat többször megismétlődik, és ez a pozitív visszacsatolási hatás exponenciálisan növelheti a fotonok számát. A rezonáns üreg segítségével a fotonok koherenciáját fenntartjuk, a fénysugár intenzitását folyamatosan növeljük.
2. Gain Medium
Anyereség közepesa lézer maganyaga, amely meghatározza a fotonok erősítését és a lézerkimenetet. Ez a stimulált emisszió fizikai alapja, tulajdonságai határozzák meg a lézer frekvenciáját, hullámhosszát és kimeneti teljesítményét. Az erősítő közeg típusa és jellemzői közvetlenül befolyásolják a lézer alkalmazását és teljesítményét.
Gerjesztési mechanizmus: Az erősítő közegben lévő elektronokat külső energiaforrással magasabb energiaszintre kell gerjeszteni. Ezt a folyamatot általában külső energiaellátó rendszerekkel érik el. A gyakori gerjesztési mechanizmusok a következők:
Elektromos szivattyúzás: Az erősítő közegben lévő elektronok gerjesztése elektromos áram alkalmazásával.
Optikai szivattyúzás: A közeg gerjesztése fényforrással (például vakulámpával vagy más lézerrel).
Energiaszint-rendszer: Az erősítő közegben lévő elektronok jellemzően meghatározott energiaszinteken oszlanak el. A leggyakoribbak akétszintű rendszerekésnégyszintű rendszerek. Egy egyszerű kétszintű rendszerben az elektronok az alapállapotból a gerjesztett állapotba mennek át, majd stimulált emisszió révén térnek vissza az alapállapotba. Egy négyszintű rendszerben az elektronok bonyolultabb átmeneteken mennek keresztül a különböző energiaszintek között, ami gyakran magasabb hatásfokot eredményez.
A Gain Media típusai:
Gas Gain Medium: Például hélium-neon (He-Ne) lézerek. A gázerősítő közegek stabil teljesítményükről és rögzített hullámhosszukról ismertek, és széles körben használják szabványos fényforrásként a laboratóriumokban.
Liquid Gain Medium: Például festéklézerek. A festékmolekulák különböző hullámhosszokon jó gerjesztési tulajdonságokkal rendelkeznek, így ideálisak hangolható lézerekhez.
Szilárd erősítés közepes: Például Nd (neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránát) lézerek. Ezek a lézerek rendkívül hatékonyak és nagy teljesítményűek, és széles körben használják az ipari vágáshoz, hegesztéshez és orvosi alkalmazásokhoz.
Félvezető erősítés közepes: Például a gallium-arzenid (GaAs) anyagokat széles körben használják kommunikációs és optoelektronikai eszközökben, például lézerdiódákban.
3. Rezonátor üreg
Arezonátor ürega lézer szerkezeti eleme, amelyet visszacsatolásra és erősítésre használnak. Alapvető funkciója a stimulált emisszió révén keletkező fotonok számának növelése azáltal, hogy visszaveri és felerősíti azokat az üregben, ezáltal erős és fókuszált lézerkimenetet generál.
A rezonátor üreg felépítése: Általában két párhuzamos tükörből áll. Az egyik egy teljesen tükröződő tükör, az úgynevezetthátsó tükör, a másik pedig egy részben visszaverő tükör, az úgynevezettkimeneti tükör. A fotonok oda-vissza visszaverődnek az üregben, és az erősítő közeggel való kölcsönhatás révén felerősödnek.
Rezonancia állapot: A rezonátorüreg kialakításának meg kell felelnie bizonyos feltételeknek, például biztosítani kell, hogy a fotonok állóhullámokat alkossanak az üreg belsejében. Ehhez az szükséges, hogy az üreg hossza a lézer hullámhosszának többszöröse legyen. Csak az ezeknek a feltételeknek megfelelő fényhullámok erősíthetők hatékonyan az üregben.
Output Beam: A részben visszaverő tükör lehetővé teszi az erősített fénysugár egy részének áthaladását, és a lézer kimeneti sugarát alkotja. Ez a nyaláb nagy irányítottsággal, koherenciával és monokromatikussággal rendelkezik.
Ha többet szeretne megtudni a lézerekről, vagy érdeklődik a lézerek iránt, forduljon hozzánk bizalommal:
Lumispot
Cím: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Kína
Tel: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Weboldal: www.lumispot-tech.com
Feladás időpontja: 2024.09.18