El principi bàsic de funcionament d'un làser (amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació) es basa en el fenomen de l'emissió estimulada de llum. Mitjançant una sèrie de dissenys i estructures precisos, els làsers generen feixos amb alta coherència, monocromaticitat i brillantor. Els làsers s'utilitzen àmpliament en la tecnologia moderna, incloent-hi camps com la comunicació, la medicina, la fabricació, la mesura i la investigació científica. La seva alta eficiència i les seves característiques de control precises els converteixen en el component central de moltes tecnologies. A continuació, es presenta una explicació detallada dels principis de funcionament dels làsers i els mecanismes dels diferents tipus de làsers.
1. Emissió estimulada
Emissió estimuladaés el principi fonamental de la generació làser, proposat per primera vegada per Einstein el 1917. Aquest fenomen descriu com es produeixen fotons més coherents mitjançant la interacció entre la llum i la matèria en estat excitat. Per entendre millor l'emissió estimulada, comencem amb l'emissió espontània:
Emissió espontàniaEn àtoms, molècules o altres partícules microscòpiques, els electrons poden absorbir energia externa (com ara energia elèctrica o òptica) i passar a un nivell d'energia superior, conegut com a estat excitat. Tanmateix, els electrons en estat excitat són inestables i finalment tornaran a un nivell d'energia inferior, conegut com a estat fonamental, després d'un curt període. Durant aquest procés, l'electró allibera un fotó, que és emissió espontània. Aquests fotons són aleatoris pel que fa a la freqüència, la fase i la direcció, i per tant manquen de coherència.
Emissió estimuladaLa clau de l'emissió estimulada és que quan un electró en estat excitat troba un fotó amb una energia que coincideix amb la seva energia de transició, el fotó pot fer que l'electró torni a l'estat fonamental mentre allibera un nou fotó. El nou fotó és idèntic a l'original pel que fa a la freqüència, la fase i la direcció de propagació, donant lloc a una llum coherent. Aquest fenomen amplifica significativament el nombre i l'energia dels fotons i és el mecanisme central dels làsers.
Efecte de retroalimentació positiva de l'emissió estimuladaEn el disseny de làsers, el procés d'emissió estimulada es repeteix diverses vegades, i aquest efecte de retroalimentació positiva pot augmentar exponencialment el nombre de fotons. Amb l'ajuda d'una cavitat ressonant, es manté la coherència dels fotons i la intensitat del feix de llum augmenta contínuament.
2. Guany mitjà
Elguany mitjàés el material central del làser que determina l'amplificació dels fotons i la sortida del làser. És la base física de l'emissió estimulada i les seves propietats determinen la freqüència, la longitud d'ona i la potència de sortida del làser. El tipus i les característiques del medi de guany afecten directament l'aplicació i el rendiment del làser.
Mecanisme d'excitacióEls electrons del medi de guany necessiten ser excitats a un nivell d'energia més alt mitjançant una font d'energia externa. Aquest procés s'aconsegueix normalment mitjançant sistemes de subministrament d'energia externs. Els mecanismes d'excitació comuns inclouen:
Bombament elèctricExcitació dels electrons en el medi de guany mitjançant l'aplicació d'un corrent elèctric.
Bombament òpticExcitar el medi amb una font de llum (com ara una làmpada flaix o un altre làser).
Sistema de nivells d'energiaEls electrons del medi de guany es distribueixen normalment en nivells d'energia específics. Els més comuns sónsistemes de dos nivellsisistemes de quatre nivellsEn un sistema simple de dos nivells, els electrons passen de l'estat fonamental a l'estat excitat i després tornen a l'estat fonamental mitjançant l'emissió estimulada. En un sistema de quatre nivells, els electrons experimenten transicions més complexes entre diferents nivells d'energia, cosa que sovint resulta en una major eficiència.
Tipus de mitjans de guany:
Mitjà de guany de gasPer exemple, els làsers d'heli-neó (He-Ne). Els medis de guany de gas són coneguts per la seva sortida estable i la seva longitud d'ona fixa, i s'utilitzen àmpliament com a fonts de llum estàndard als laboratoris.
Medi de guany líquidPer exemple, els làsers de colorant. Les molècules de colorant tenen bones propietats d'excitació a diferents longituds d'ona, cosa que les fa ideals per a làsers sintonitzables.
Guany sòlid mitjàPer exemple, làsers de Nd (granat d'itri i alumini dopat amb neodimi). Aquests làsers són altament eficients i potents, i s'utilitzen àmpliament en tall industrial, soldadura i aplicacions mèdiques.
Medi de guany semiconductorPer exemple, els materials d'arseniur de gal·li (GaAs) s'utilitzen àmpliament en dispositius de comunicació i optoelectrònics com ara els díodes làser.
3. Cavitat del ressonador
Elcavitat ressonadoraés un component estructural del làser que s'utilitza per a la retroalimentació i l'amplificació. La seva funció principal és augmentar el nombre de fotons produïts a través de l'emissió estimulada reflectint-los i amplificant-los dins de la cavitat, generant així una sortida làser forta i enfocada.
Estructura de la cavitat ressonadoraNormalment consta de dos miralls paral·lels. Un és un mirall totalment reflectant, conegut com amirall retrovisor, i l'altre és un mirall parcialment reflectant, conegut com amirall de sortidaEls fotons es reflecteixen endavant i endarrere dins la cavitat i s'amplifiquen mitjançant la interacció amb el medi de guany.
Condició de ressonànciaEl disseny de la cavitat ressonadora ha de complir certes condicions, com ara garantir que els fotons formin ones estacionàries dins de la cavitat. Això requereix que la longitud de la cavitat sigui un múltiple de la longitud d'ona del làser. Només les ones de llum que compleixin aquestes condicions es poden amplificar eficaçment dins de la cavitat.
Feix de sortidaEl mirall parcialment reflectant permet que una part del feix de llum amplificat el travessi, formant el feix de sortida del làser. Aquest feix té una alta direccionalitat, coherència i monocromaticitat..
Si voleu obtenir més informació o esteu interessats en els làsers, no dubteu a contactar amb nosaltres:
Lumispot
Adreça: Edifici 4 #, núm. 99 Furong 3rd Road, districte de Xishan, Wuxi, 214000, Xina
Telèfon: + 86-0510 87381808.
Mòbil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Lloc web: www.lumispot-tech.com
Data de publicació: 18 de setembre de 2024