A lézerek (fényerősítés stimulált sugárzáskibocsátással) alapvető működési elve a stimulált fénykibocsátás jelenségén alapul. A precíz kialakításnak és szerkezetnek köszönhetően a lézerek nagy koherenciájú, monokromatikus és fényes nyalábokat hoznak létre. A lézereket széles körben használják a modern technológiában, többek között olyan területeken, mint a kommunikáció, az orvostudomány, a gyártás, a méréstechnika 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 emisszió
Stimulált emisszióa lézergeneráció alapelve, amelyet először Einstein javasolt 1917-ben. Ez a jelenség leírja, hogyan keletkeznek koherensebb fotonok a fény és a gerjesztett állapotú anyag kölcsönhatása révén. A gerjesztett emisszió jobb megértése érdekében kezdjük a spontán emisszióval:
Spontán emisszióAz atomokban, molekulákban vagy más mikroszkopikus részecskékben az elektronok képesek külső energiát (például elektromos vagy optikai energiát) elnyelni, és magasabb energiaszintre, az úgynevezett gerjesztett állapotba kerülni. A gerjesztett állapotú elektronok azonban instabilak, és rövid idő elteltével visszatérnek egy alacsonyabb energiaszintre, az úgynevezett alapállapotba. E folyamat során az elektron fotont bocsát ki, ami spontán emisszió. Az ilyen fotonok frekvenciája, fázisa és iránya véletlenszerű, így nincs koherenciájuk.
Stimulált emisszióA gerjesztett emisszió kulcsa az, hogy amikor egy gerjesztett állapotú elektron egy az átmeneti energiájával megegyező energiájú fotonnal találkozik, a foton arra késztetheti az elektront, hogy visszatérjen az alapállapotba, miközben egy új fotont bocsát ki. Az új foton frekvenciája, fázisa és terjedési iránya megegyezik az eredetivel, ami koherens fényt eredményez. Ez a jelenség jelentősen felerősíti a fotonok számát és energiáját, és a lézerek alapvető mechanizmusa.
A stimulált emisszió pozitív visszacsatolási hatásaA lézerek tervezésénél a stimulált emissziós folyamatot többször megismétlik, és ez a pozitív visszacsatolási hatás exponenciálisan növelheti a fotonok számát. Egy rezonáns üreg segítségével a fotonok koherenciája megmarad, és a fénysugár intenzitása folyamatosan növekszik.
2. Közepes nyereség
Aközepes nyereséga lézer maganyaga, amely meghatározza a fotonok erősítését és a lézer kimenetét. Ez a stimulált emisszió fizikai alapja, és tulajdonságai határozzák meg a lézer frekvenciáját, hullámhosszát és kimeneti teljesítményét. Az erősítőközeg típusa és jellemzői közvetlenül befolyásolják a lézer alkalmazását és teljesítményét.
Gerjesztési mechanizmusAz erősítő közegben lévő elektronokat külső energiaforrással kell gerjeszteni magasabb energiaszintre. Ezt a folyamatot általában külső energiaellátó rendszerekkel érik el. A gyakori gerjesztési mechanizmusok a következők:
Elektromos szivattyúzásAz elektronok gerjesztése az erősítő közegben elektromos áram alkalmazásával.
Optikai pumpálás: A közeg gerjesztése fényforrással (például vakuval vagy más lézerrel).
Energiaszintek RendszereAz erősítő közegben az elektronok jellemzően meghatározott energiaszinteken oszlanak el. A leggyakoribbak a következők:kétszintű rendszerekésnégyszintű rendszerekEgy egyszerű kétszintű rendszerben az elektronok az alapállapotból a gerjesztett állapotba mennek át, majd indukált emisszió révén visszatérnek az alapállapotba. Egy négyszintű rendszerben az elektronok összetettebb átmeneteken mennek keresztül a különböző energiaszintek között, ami gyakran nagyobb hatásfokot eredményez.
Az erősítőközegek típusai:
Gáznyereség KözepesPéldául a hélium-neon (He-Ne) lézerek. A gázerősítő közegek stabil teljesítményükről és fix hullámhosszukról ismertek, és széles körben használják őket standard fényforrásként a laboratóriumokban.
Folyékony gain közegPéldául a festéklézerek. A festékmolekulák jó gerjesztési tulajdonságokkal rendelkeznek különböző hullámhosszakon, így ideálisak hangolható lézerekhez.
Közepes erősítésűPéldául az Nd (neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránát) lézerek. Ezek a lézerek rendkívül hatékonyak és nagy teljesítményűek, és széles körben használják őket ipari vágásban, hegesztésben és orvosi alkalmazásokban.
Félvezető erősítésű közegPéldául a gallium-arzenid (GaAs) anyagokat széles körben használják kommunikációs és optoelektronikai eszközökben, például lézerdiódákban.
3. Rezonátor üreg
Arezonátorürega lézer egyik szerkezeti eleme, amelyet visszacsatolásra és erősítésre használnak. Fő funkciója a gerjesztett emisszió által keletkező fotonok számának növelése azáltal, hogy azokat az üreg belsejében visszaveri és erősíti, ezáltal erős és fókuszált lézerteljesítményt generál.
A rezonátorüreg szerkezeteÁltalában két párhuzamos tükörből áll. Az egyik egy teljesen fényvisszaverő tükör, amelyetvisszapillantó tükör, a másik pedig egy részben fényvisszaverő tükör, az ún.kimeneti tükörA fotonok oda-vissza verődnek az üregben, és az erősítő közeggel való kölcsönhatás révén felerősödnek.
RezonanciaállapotA rezonátorüreg kialakításának bizonyos feltételeknek kell megfelelnie, például biztosítania kell, hogy a fotonok állóhullámokat képezzenek az üreg belsejében. Ehhez az üreg hosszának a lézer hullámhosszának többszörösének kell lennie. Csak azok a fényhullámok erősíthetők hatékonyan az üreg belsejében, amelyek megfelelnek ezeknek a feltételeknek.
Kimeneti sugárA részben visszaverő tükör átengedi az erősített fénysugár egy részét, létrehozva a lézer kimenő sugarat. Ez a sugár nagy irányítottsággal, koherenciával és monokromatikussággal rendelkezik..
Ha többet szeretne megtudni, vagy érdeklődik a lézerek iránt, kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot:
Lumispot
Cím: 4. épület, 99. szám, Furong 3. út, Xishan kerület, Wuxi, 214000, Kína
Tel.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Weboldal: www.lumispot-tech.com
Közzététel ideje: 2024. szeptember 18.