El principi bàsic de funcionament d'un làser (amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació) es basa en el fenomen d'emissió estimulada de llum. A través d'una sèrie de dissenys i estructures precises, els làsers generen feixos d'alta coherència, monocromaticitat i brillantor. Els làsers s'utilitzen àmpliament en la tecnologia moderna, fins i tot en camps com la comunicació, la medicina, la fabricació, el mesurament i la investigació científica. La seva alta eficiència i les seves característiques de control precises els converteixen en el component bàsic de moltes tecnologies. A continuació es mostra una explicació detallada dels principis de funcionament dels làsers i dels mecanismes dels diferents tipus de làsers.
1. Emissió estimulada
Emissió estimuladaés el principi fonamental darrere 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 per l'emissió espontània:
Emissió espontània: En àtoms, molècules o altres partícules microscòpiques, els electrons poden absorbir energia externa (com l'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 més baix, conegut com a estat fonamental, després d'un curt període. Durant aquest procés, l'electró allibera un fotó, que és una emissió espontània. Aquests fotons són aleatoris en termes de freqüència, fase i direcció i, per tant, no tenen coherència.
Emissió estimulada: La clau de l'emissió estimulada és que quan un electró en estat excitat es troba amb un fotó amb una energia que coincideix amb la seva energia de transició, el fotó pot provocar que l'electró torni a l'estat fonamental mentre allibera un nou fotó. El nou fotó és idèntic a l'original en termes de freqüència, fase i direcció de propagació, donant lloc a una llum coherent. Aquest fenomen amplifica significativament el nombre i l'energia dels fotons i és el mecanisme bàsic dels làsers.
Efecte de retroalimentació positiva de l'emissió estimulada: En 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. Guanyar 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 mitjà de guany afecten directament l'aplicació i el rendiment del làser.
Mecanisme d'excitació: Els electrons del medi de guany han de ser excitats a un nivell d'energia superior per una font d'energia externa. Aquest procés s'aconsegueix normalment mitjançant sistemes de subministrament d'energia externs. Els mecanismes d'excitació comuns inclouen:
Bombeig elèctric: Excitació dels electrons del medi de guany aplicant un corrent elèctric.
Bombeig òptic: Emocionar el mitjà amb una font de llum (com un llum de flaix o un altre làser).
Sistema de nivells d'energia: Els electrons del medi de guany es distribueixen normalment en nivells d'energia específics. Els més habituals sónsistemes de dos nivellsisistemes de quatre nivells. En un sistema senzill 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, sovint resultant en una major eficiència.
Tipus de mitjans de guany:
Guany de gas mitjà: Per exemple, làsers d'heli-neó (He-Ne). Els mitjans 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.
Mitjà de guany líquid: Per exemple, làsers de color. Les molècules de colorant tenen bones propietats d'excitació a diferents longituds d'ona, cosa que les fa ideals per a làsers sintonitzables.
Mitjà de guany sòlid: Per exemple, làsers Nd (granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi). Aquests làsers són altament eficients i potents, i s'utilitzen àmpliament en aplicacions de tall industrial, soldadura i mèdiques.
Guany mitjà de semiconductors: Per exemple, els materials d'arsenur de gal·li (GaAs) s'utilitzen àmpliament en dispositius de comunicació i optoelectrònics com els díodes làser.
3. Cavitat del ressonador
Elcavitat del ressonadorés un component estructural del làser utilitzat per a la retroalimentació i l'amplificació. La seva funció principal és millorar el nombre de fotons produïts mitjançant l'emissió estimulada reflectint-los i amplificant-los dins de la cavitat, generant així una sortida làser forta i enfocada.
Estructura de la cavitat del ressonador: Normalment consta de dos miralls paral·lels. Un és un mirall totalment reflectant, conegut com amirall posterior, i l'altre és un mirall parcialment reflectant, conegut com amirall de sortida. Els fotons es reflecteixen cap endavant i cap enrere dins de la cavitat i s'amplifican mitjançant la interacció amb el medi de guany.
Condició de ressonància: El disseny de la cavitat del ressonador ha de complir determinades 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 lluminoses que compleixen aquestes condicions es poden amplificar efectivament dins de la cavitat.
Feix de sortida: El mirall parcialment reflectant permet passar una part del feix de llum amplificat, 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 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, Xina
Tel: + 86-0510 87381808.
Mòbil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Lloc web: www.lumispot-tech.com
Hora de publicació: 18-set-2024