Nguyên tắc làm việc cơ bản của laser (khuếch đại ánh sáng bằng cách phát xạ kích thích của bức xạ) dựa trên hiện tượng phát xạ được kích thích của ánh sáng. Thông qua một loạt các thiết kế và cấu trúc chính xác, laser tạo ra các dầm với độ gắn kết cao, đơn sắc và độ sáng. Laser được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại, bao gồm trong các lĩnh vực như truyền thông, y học, sản xuất, đo lường và nghiên cứu khoa học. Các đặc điểm hiệu quả cao và kiểm soát chính xác của chúng làm cho chúng trở thành thành phần cốt lõi của nhiều công nghệ. Dưới đây là một lời giải thích chi tiết về các nguyên tắc làm việc của laser và cơ chế của các loại laser khác nhau.
1. Phát xạ kích thích
Phát xạ kích thíchlà nguyên tắc cơ bản đằng sau việc tạo ra laser, lần đầu tiên được đề xuất bởi Einstein vào năm 1917. Hiện tượng này mô tả cách tạo ra các photon kết hợp hơn thông qua sự tương tác giữa vật chất ánh sáng và trạng thái kích thích. Để hiểu rõ hơn về phát thải được kích thích, hãy bắt đầu với phát thải tự phát:
Phát xạ tự phát: Trong các nguyên tử, phân tử hoặc các hạt siêu nhỏ khác, các electron có thể hấp thụ năng lượng bên ngoài (như năng lượng điện hoặc năng lượng quang học) và chuyển sang mức năng lượng cao hơn, được gọi là trạng thái kích thích. Tuy nhiên, các electron trạng thái kích thích không ổn định và cuối cùng sẽ trở lại mức năng lượng thấp hơn, được gọi là trạng thái cơ bản, sau một thời gian ngắn. Trong quá trình này, electron giải phóng một photon, là phát xạ tự phát. Các photon như vậy là ngẫu nhiên về tần số, pha và hướng, và do đó thiếu sự gắn kết.
Phát xạ kích thích: Điều quan trọng để phát xạ được kích thích là khi một electron trạng thái kích thích gặp phải một photon với một năng lượng phù hợp với năng lượng chuyển tiếp của nó, photon có thể nhắc điện tử quay trở lại trạng thái mặt đất trong khi phát hành photon mới. Photon mới giống hệt với cái ban đầu về tần số, pha và hướng truyền, dẫn đến ánh sáng kết hợp. Hiện tượng này khuếch đại đáng kể số lượng và năng lượng của các photon và là cơ chế cốt lõi của laser.
Hiệu ứng phản hồi tích cực của phát xạ được kích thích: Trong thiết kế laser, quá trình phát xạ được kích thích được lặp lại nhiều lần và hiệu ứng phản hồi tích cực này có thể tăng theo cấp số nhân số lượng photon. Với sự trợ giúp của khoang cộng hưởng, sự kết hợp của các photon được duy trì và cường độ của chùm sáng được tăng liên tục.
2. Đạt được trung bình
Cácđạt được trung bìnhlà vật liệu cốt lõi trong laser xác định sự khuếch đại của photon và đầu ra laser. Đó là cơ sở vật lý cho phát xạ được kích thích và các tính chất của nó xác định tần số, bước sóng và công suất đầu ra của laser. Các loại và đặc điểm của phương tiện tăng ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng và hiệu suất của laser.
Cơ chế kích thích: Các electron trong môi trường tăng cần được kích thích đến mức năng lượng cao hơn bởi một nguồn năng lượng bên ngoài. Quá trình này thường đạt được bởi các hệ thống cung cấp năng lượng bên ngoài. Các cơ chế kích thích phổ biến bao gồm:
Bơm điện: HOÀN TOÀN Các electron trong môi trường tăng bằng cách áp dụng dòng điện.
Bơm quang học: Vượt qua phương tiện với nguồn sáng (như đèn flash hoặc laser khác).
Hệ thống mức năng lượng: Các electron trong môi trường tăng thường được phân phối ở mức năng lượng cụ thể. Phổ biến nhất làHệ thống hai cấpVàHệ thống bốn cấp. Trong một hệ thống hai cấp đơn giản, các electron chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích và sau đó trở lại trạng thái cơ bản thông qua phát xạ được kích thích. Trong một hệ thống bốn cấp, các electron trải qua quá trình chuyển đổi phức tạp hơn giữa các mức năng lượng khác nhau, thường dẫn đến hiệu quả cao hơn.
Các loại phương tiện truyền thông đạt được:
Gas tăng môi trường: Ví dụ, laser helium-neon (he-ne). Phương tiện tăng khí được biết đến với đầu ra ổn định và bước sóng cố định, và được sử dụng rộng rãi làm nguồn ánh sáng tiêu chuẩn trong các phòng thí nghiệm.
Chất lỏng tăng trung bình: Ví dụ, thuốc nhuộm laser. Các phân tử thuốc nhuộm có đặc tính kích thích tốt trên các bước sóng khác nhau, làm cho chúng lý tưởng cho các laser có thể điều chỉnh.
Trung bình tăng rắn: Ví dụ, Laser ND (Neodymium pha tạp yttri) laser. Những laser này có hiệu quả cao và mạnh mẽ, và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cắt, hàn và y tế công nghiệp.
Chất bán dẫn đạt được trung bình: Ví dụ, vật liệu gallium arsenide (GaAs) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền thông và quang điện tử như điốt laser.
3. Khoang cộng hưởng
CácKhoang cộng hưởnglà một thành phần cấu trúc trong laser được sử dụng để phản hồi và khuếch đại. Chức năng cốt lõi của nó là tăng cường số lượng photon được tạo ra thông qua phát xạ được kích thích bằng cách phản xạ và khuếch đại chúng bên trong khoang, do đó tạo ra đầu ra laser mạnh và tập trung.
Cấu trúc của khoang cộng hưởng: Nó thường bao gồm hai gương song song. Một là một gương phản chiếu đầy đủ, được gọi làgương phía sau, và cái khác là một gương phản chiếu một phần, được gọi làGương đầu ra. Các photon phản xạ qua lại trong khoang và được khuếch đại thông qua tương tác với môi trường tăng.
Điều kiện cộng hưởng: Thiết kế của khoang cộng hưởng phải đáp ứng một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như đảm bảo rằng các photon tạo thành sóng đứng bên trong khoang. Điều này đòi hỏi chiều dài khoang phải là bội số của bước sóng laser. Chỉ những sóng ánh sáng đáp ứng các điều kiện này có thể được khuếch đại hiệu quả bên trong khoang.
Chùm đầu ra: Gương phản chiếu một phần cho phép một phần của chùm sáng khuếch đại đi qua, tạo thành chùm đầu ra của laser. Chùm tia này có tính định hướng cao, sự gắn kết và đơn sắc.
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm hoặc quan tâm đến laser, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi:
Lumispot
Địa chỉ: Tòa nhà 4 #, No.99 Furong Road, Xishan Dist. WUXI, 214000, Trung Quốc
Điện thoại: + 86-0510 87381808.
Điện thoại di động: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Trang web: www.lumispot-tech.com
Thời gian đăng: Tháng 9-18-2024