O principio básico de funcionamento dun láser (amplificación da luz por emisión estimulada de radiación) baséase no fenómeno da emisión estimulada de luz. A través dunha serie de deseños e estruturas precisos, os láseres xeran feixes con alta coherencia, monocromaticidade e brillo. Os láseres son amplamente utilizados na tecnoloxía moderna, incluso en campos como a comunicación, a medicina, a fabricación, a medición e a investigación científica. A súa alta eficiencia e as súas características de control precisos fan que sexan o compoñente central de moitas tecnoloxías. A continuación móstrase unha explicación detallada dos principios de funcionamento dos láseres e dos mecanismos dos distintos tipos de láseres.
1. Emisión estimulada
Emisión estimuladaé o principio fundamental detrás da xeración láser, proposto por primeira vez por Einstein en 1917. Este fenómeno describe como se producen fotóns máis coherentes mediante a interacción entre a luz e a materia en estado excitado. Para comprender mellor a emisión estimulada, comecemos pola emisión espontánea:
Emisión espontánea: Nos átomos, moléculas ou outras partículas microscópicas, os electróns poden absorber enerxía externa (como enerxía eléctrica ou óptica) e pasar a un nivel de enerxía superior, coñecido como estado excitado. Non obstante, os electróns en estado excitado son inestables e finalmente volverán a un nivel de enerxía máis baixo, coñecido como estado fundamental, despois dun curto período de tempo. Durante este proceso, o electrón libera un fotón, que é unha emisión espontánea. Tales fotóns son aleatorios en termos de frecuencia, fase e dirección e, polo tanto, carecen de coherencia.
Emisión estimulada: A clave para a emisión estimulada é que cando un electrón en estado excitado atopa un fotón cunha enerxía que coincide coa súa enerxía de transición, o fotón pode facer que o electrón volva ao estado fundamental mentres libera un novo fotón. O novo fotón é idéntico ao orixinal en canto a frecuencia, fase e dirección de propagación, dando como resultado unha luz coherente. Este fenómeno amplifica significativamente o número e a enerxía dos fotóns e é o mecanismo central dos láseres.
Efecto de retroalimentación positiva da emisión estimulada: No deseño de láseres, o proceso de emisión estimulada repítese varias veces, e este efecto de retroalimentación positiva pode aumentar exponencialmente o número de fotóns. Coa axuda dunha cavidade resonante, mantense a coherencia dos fotóns e aumenta continuamente a intensidade do feixe de luz.
2. Gaña media
Ogaña medioé o material central do láser que determina a amplificación dos fotóns e a saída do láser. É a base física para a emisión estimulada e as súas propiedades determinan a frecuencia, a lonxitude de onda e a potencia de saída do láser. O tipo e as características do medio de ganancia afectan directamente á aplicación e ao rendemento do láser.
Mecanismo de excitación: Os electróns do medio de ganancia deben ser excitados a un nivel de enerxía superior por unha fonte de enerxía externa. Este proceso conséguese normalmente mediante sistemas externos de subministración de enerxía. Os mecanismos de excitación comúns inclúen:
Bombeo Eléctrico: Excitación dos electróns no medio de ganancia aplicando unha corrente eléctrica.
Bombeo óptico: Emocionar o medio cunha fonte de luz (como unha lámpada de flash ou outro láser).
Sistema de niveis de enerxía: Os electróns no medio de ganancia distribúense normalmente en niveis de enerxía específicos. As máis comúns sonsistemas de dous niveisesistemas de catro niveis. Nun sistema sinxelo de dous niveis, os electróns pasan do estado fundamental ao estado excitado e despois regresan ao estado fundamental mediante a emisión estimulada. Nun sistema de catro niveis, os electróns sofren transicións máis complexas entre os diferentes niveis de enerxía, que moitas veces resultan nunha maior eficiencia.
Tipos de medios de ganancia:
Medio de ganancia de gas: Por exemplo, láseres de helio-neón (He-Ne). Os medios de ganancia de gas son coñecidos pola súa saída estable e lonxitude de onda fixa, e úsanse amplamente como fontes de luz estándar nos laboratorios.
Medio de ganancia líquida: Por exemplo, láseres de tintura. As moléculas de colorante teñen boas propiedades de excitación en diferentes lonxitudes de onda, polo que son ideais para láseres sintonizables.
Medio de ganancia sólida: Por exemplo, láseres Nd (granate de itrio aluminio dopado con neodimio). Estes láseres son altamente eficientes e potentes, e son amplamente utilizados en corte industrial, soldadura e aplicacións médicas.
Medio de ganancia de semicondutores: Por exemplo, os materiais de arseniuro de galio (GaAs) úsanse amplamente en dispositivos de comunicación e optoelectrónicos como os díodos láser.
3. Cavidade do resonador
Ocavidade do resonadoré un compoñente estrutural do láser usado para a realimentación e amplificación. A súa función principal é mellorar o número de fotóns producidos mediante a emisión estimulada reflectíndoos e amplificandoos dentro da cavidade, xerando así unha saída láser forte e enfocada.
Estrutura da cavidade do resonador: Normalmente consta de dous espellos paralelos. Un é un espello totalmente reflector, coñecido como oespello traseiro, e o outro é un espello parcialmente reflector, coñecido como oespello de saída. Os fotóns reflicten cara atrás e cara atrás dentro da cavidade e son amplificados mediante a interacción co medio de ganancia.
Condición de resonancia: O deseño da cavidade do resonador debe cumprir certas condicións, como garantir que os fotóns formen ondas estacionarias dentro da cavidade. Isto require que a lonxitude da cavidade sexa un múltiplo da lonxitude de onda do láser. Só as ondas luminosas que cumpren estas condicións poden ser amplificadas de forma efectiva dentro da cavidade.
Feixe de saída: O espello parcialmente reflector permite que unha parte do feixe de luz amplificado pase, formando o feixe de saída do láser. Este feixe ten alta direccionalidade, coherencia e monocromaticidade.
Se queres saber máis ou estás interesado nos láseres, póñase en contacto connosco:
Lumispot
Enderezo: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Teléfono: + 86-0510 87381808.
Móbil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Páxina web: www.lumispot-tech.com
Hora de publicación: 18-09-2024