O principio básico de funcionamento dun láser (amplificación da luz por emisión estimulada de radiación) baséase no fenómeno da emisión estimulada de luz. Mediante unha serie de deseños e estruturas precisos, os láseres xeran feixes con alta coherencia, monocromaticidade e brillo. Os láseres úsanse amplamente na tecnoloxía moderna, incluíndo 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 precisas convértenos no compoñente central de moitas tecnoloxías. A continuación, ofrécese unha explicación detallada dos principios de funcionamento dos láseres e os mecanismos dos diferentes tipos de láseres.
1. Emisión estimulada
Emisión estimuladaé o principio fundamental 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 coa emisión espontánea:
Emisión espontáneaNos átomos, moléculas ou outras partículas microscópicas, os electróns poden absorber enerxía externa (como a enerxía eléctrica ou óptica) e pasar a un nivel de enerxía superior, coñecido como estado excitado. Non obstante, os electróns do estado excitado son inestables e finalmente volverán a un nivel de enerxía inferior, coñecido como estado fundamental, despois dun curto período. Durante este proceso, o electrón libera un fotón, que é unha emisión espontánea. Estes fotóns son aleatorios en termos de frecuencia, fase e dirección, e polo tanto carecen de coherencia.
Emisión estimuladaA clave da emisión estimulada reside en que, cando un electrón en estado excitado atopa un fotón cunha enerxía que coincide coa súa enerxía de transición, o fotón pode provocar que o electrón volva ao estado fundamental mentres libera un novo fotón. O novo fotón é idéntico ao orixinal en termos de frecuencia, fase e dirección de propagación, o que resulta nunha 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 estimuladaNo 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 a intensidade do feixe de luz aumenta continuamente.
2. Ganancia media
O/Amedia de gananciaé o material central do láser que determina a amplificación dos fotóns e a saída do láser. É a base física da 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 excitaciónOs electróns no medio de ganancia necesitan ser excitados a un nivel de enerxía máis alto mediante unha fonte de enerxía externa. Este proceso adoita conseguirse mediante sistemas de subministración de enerxía externos. Os mecanismos de excitación comúns inclúen:
Bombeo eléctricoExcitación dos electróns no medio de ganancia mediante a aplicación dunha corrente eléctrica.
Bombeo ópticoExcitar o medio cunha fonte de luz (como unha lámpada de flash ou outro láser).
Sistema de niveis de enerxíaOs electróns no medio de ganancia adoitan estar distribuídos en niveis de enerxía específicos. Os máis comúns sonsistemas de dous niveisesistemas de catro niveisNun sistema simple de dous niveis, os electróns pasan do estado fundamental ao estado excitado e logo volven ao estado fundamental mediante emisión estimulada. Nun sistema de catro niveis, os electróns sofren transicións máis complexas entre diferentes niveis de enerxía, o que a miúdo resulta nunha maior eficiencia.
Tipos de medios de ganancia:
Medio de ganancia de gasPor 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 líquidaPor exemplo, láseres de colorante. As moléculas de colorante teñen boas propiedades de excitación en diferentes lonxitudes de onda, o que as fai ideais para láseres sintonizables.
Ganancia sólida mediaPor exemplo, láseres de Nd (granate de itrio e aluminio dopado con neodimio). Estes láseres son moi eficientes e potentes, e úsanse amplamente en corte industrial, soldadura e aplicacións médicas.
Medio de ganancia de semicondutoresPor exemplo, os materiais de arseniuro de galio (GaAs) úsanse amplamente en dispositivos de comunicación e optoelectrónicos como os díodos láser.
3. Cavidade resonadora
O/Acavidade resonadoraé un compoñente estrutural do láser que se emprega para a retroalimentación e a amplificación. A súa función principal é aumentar o número de fotóns producidos a través da emisión estimulada, reflectíndoos e amplificándoos dentro da cavidade, xerando así unha saída láser forte e enfocada.
Estrutura da cavidade resonadoraNormalmente consta de dous espellos paralelos. Un deles é un espello totalmente reflectante, coñecido comoespello retrovisor, e o outro é un espello parcialmente reflectante, coñecido comoespello de saídaOs fotóns reflíctense dun lado para outro dentro da cavidade e amplifícanse mediante a interacción co medio de ganancia.
Condición de resonanciaO deseño da cavidade resonadora 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 de luz que cumpran estas condicións poden ser amplificadas eficazmente dentro da cavidade.
Feixe de saídaO espello parcialmente reflectante permite que unha parte do feixe de luz amplificado o atravese, formando o feixe de saída do láser. Este feixe ten alta direccionalidade, coherencia e monocromaticidade..
Se queres saber máis ou estás interesado nos láseres, non dubides en contactar connosco:
Lumispot
Enderezo: Edificio 4 #, n.º 99 Furong 3rd Road, distrito de Xishan, Wuxi, 214000, China
Tel.: + 86-0510 87381808.
Móbil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Sitio web: www.lumispot-tech.com
Data de publicación: 18 de setembro de 2024