Das grundlegende Funktionsprinzip eines Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) basiert auf dem Phänomen der stimulierten Emission von Licht. Durch eine Reihe präziser Designs und Strukturen erzeugen Laser Strahlen mit hoher Kohärenz, Monochromatizität und Helligkeit. Laser werden in der modernen Technologie häufig eingesetzt, unter anderem in Bereichen wie Kommunikation, Medizin, Fertigung, Messung und wissenschaftliche Forschung. Ihre hohe Effizienz und präzise Regeleigenschaften machen sie zum Kernbestandteil vieler Technologien. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Erläuterung der Funktionsprinzipien von Lasern und der Mechanismen verschiedener Lasertypen.
1. Stimulierte Emission
Stimulierte Emissionist das Grundprinzip der Lasererzeugung, das erstmals 1917 von Einstein vorgeschlagen wurde. Dieses Phänomen beschreibt, wie kohärentere Photonen durch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im angeregten Zustand erzeugt werden. Um die stimulierte Emission besser zu verstehen, beginnen wir mit der spontanen Emission:
Spontane Emission: In Atomen, Molekülen oder anderen mikroskopisch kleinen Teilchen können Elektronen externe Energie (z. B. elektrische oder optische Energie) absorbieren und in ein höheres Energieniveau, den sogenannten angeregten Zustand, übergehen. Allerdings sind Elektronen im angeregten Zustand instabil und kehren nach kurzer Zeit auf ein niedrigeres Energieniveau, den sogenannten Grundzustand, zurück. Bei diesem Vorgang setzt das Elektron ein Photon frei, bei dem es sich um eine spontane Emission handelt. Solche Photonen sind hinsichtlich Frequenz, Phase und Richtung zufällig und daher nicht kohärent.
Stimulierte Emission: Der Schlüssel zur stimulierten Emission liegt darin, dass, wenn ein Elektron im angeregten Zustand auf ein Photon mit einer Energie trifft, die seiner Übergangsenergie entspricht, das Photon das Elektron dazu veranlassen kann, in den Grundzustand zurückzukehren und gleichzeitig ein neues Photon freizusetzen. Das neue Photon ist hinsichtlich Frequenz, Phase und Ausbreitungsrichtung identisch mit dem ursprünglichen, was zu kohärentem Licht führt. Dieses Phänomen erhöht die Anzahl und Energie der Photonen erheblich und ist der Kernmechanismus von Lasern.
Positiver Rückkopplungseffekt der stimulierten Emission: Beim Design von Lasern wird der Prozess der stimulierten Emission mehrmals wiederholt, und dieser positive Rückkopplungseffekt kann die Anzahl der Photonen exponentiell erhöhen. Mit Hilfe eines Hohlraumresonators wird die Kohärenz der Photonen aufrechterhalten und die Intensität des Lichtstrahls kontinuierlich erhöht.
2. Medium gewinnen
DerMedium gewinnenist das Kernmaterial im Laser, das die Verstärkung der Photonen und die Laserleistung bestimmt. Es ist die physikalische Grundlage für die stimulierte Emission und seine Eigenschaften bestimmen die Frequenz, Wellenlänge und Ausgangsleistung des Lasers. Die Art und Eigenschaften des Verstärkungsmediums wirken sich direkt auf die Anwendung und Leistung des Lasers aus.
Anregungsmechanismus: Elektronen im Verstärkungsmedium müssen durch eine externe Energiequelle auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Dieser Prozess wird üblicherweise durch externe Energieversorgungssysteme erreicht. Zu den üblichen Erregungsmechanismen gehören:
Elektrisches Pumpen: Anregung der Elektronen im Verstärkungsmedium durch Anlegen eines elektrischen Stroms.
Optisches Pumpen: Anregung des Mediums mit einer Lichtquelle (z. B. einer Blitzlampe oder einem anderen Laser).
Energieniveausystem: Elektronen im Verstärkungsmedium sind typischerweise in bestimmten Energieniveaus verteilt. Die häufigsten sindzweistufige SystemeUndvierstufige Systeme. In einem einfachen Zwei-Ebenen-System gehen Elektronen vom Grundzustand in den angeregten Zustand über und kehren dann durch stimulierte Emission in den Grundzustand zurück. In einem Vier-Ebenen-System durchlaufen Elektronen komplexere Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus, was häufig zu einer höheren Effizienz führt.
Arten von Verstärkungsmedien:
Gasgewinnmedium: Zum Beispiel Helium-Neon-Laser (He-Ne). Gasverstärkungsmedien sind für ihre stabile Leistung und feste Wellenlänge bekannt und werden häufig als Standardlichtquellen in Labors verwendet.
Flüssiges Verstärkungsmedium: Zum Beispiel Farbstofflaser. Farbstoffmoleküle verfügen über gute Anregungseigenschaften über verschiedene Wellenlängen hinweg und sind daher ideal für abstimmbare Laser.
Solides Gain-Medium: Zum Beispiel Nd-Laser (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat). Diese Laser sind hocheffizient und leistungsstark und werden häufig in industriellen Schneid-, Schweiß- und medizinischen Anwendungen eingesetzt.
Halbleiter-Verstärkungsmedium: Galliumarsenid (GaAs)-Materialien werden beispielsweise häufig in Kommunikations- und optoelektronischen Geräten wie Laserdioden verwendet.
3. Resonatorhohlraum
DerResonatorhohlraumist eine Strukturkomponente im Laser, die zur Rückkopplung und Verstärkung dient. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Anzahl der durch stimulierte Emission erzeugten Photonen zu erhöhen, indem er sie innerhalb des Hohlraums reflektiert und verstärkt und so eine starke und fokussierte Laserleistung erzeugt.
Struktur des Resonatorhohlraums: Es besteht normalerweise aus zwei parallelen Spiegeln. Einer davon ist ein vollständig reflektierender Spiegel, der sogenannteRückspiegel, und der andere ist ein teilweise reflektierender Spiegel, bekannt als derAusgabespiegel. Photonen werden innerhalb des Hohlraums hin und her reflektiert und durch Wechselwirkung mit dem Verstärkungsmedium verstärkt.
Resonanzzustand: Das Design des Resonatorhohlraums muss bestimmte Bedingungen erfüllen, z. B. sicherstellen, dass Photonen im Hohlraum stehende Wellen bilden. Dies erfordert, dass die Hohlraumlänge ein Vielfaches der Laserwellenlänge beträgt. Nur Lichtwellen, die diese Bedingungen erfüllen, können im Hohlraum effektiv verstärkt werden.
Ausgangsstrahl: Der teilweise reflektierende Spiegel lässt einen Teil des verstärkten Lichtstrahls durch und bildet so den Ausgangsstrahl des Lasers. Dieser Strahl weist eine hohe Richtwirkung, Kohärenz und Monochromatizität auf.
Wenn Sie mehr erfahren möchten oder sich für Laser interessieren, nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf:
Lumispot
Adresse: Gebäude 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China
Tel.: + 86-0510 87381808.
Mobil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Website: www.lumispot-tech.com
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18.09.2024