Das grundlegende Arbeitsprinzip eines Lasers (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) basiert auf dem Phänomen der stimulierten Lichtemission. Durch eine Reihe präziser Designs und Strukturen erzeugen Laser Strahlen mit hoher Kohärenz, Monochromatie und Helligkeit. Laser werden in der modernen Technologie häufig verwendet, einschließlich in Bereichen wie Kommunikation, Medizin, Fertigung, Messung und wissenschaftlicher Forschung. Ihre hohen Effizienz- und genauen Kontrolleigenschaften machen sie zum Kernkomponenten vieler Technologien. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erklärung der Arbeitsprinzipien von Lasern und der Mechanismen verschiedener Arten von Lasern.
1. Stimulierte Emission
Stimulierte Emissionist das Grundprinzip hinter der Lasergenerierung, das 1917 erstmals von Einstein vorgeschlagen wurde. Dieses Phänomen beschreibt, wie kohärente Photonen durch die Wechselwirkung zwischen Licht und angeregter Zustand erzeugt werden. Um die stimulierte Emission besser zu verstehen, beginnen wir mit der spontanen Emission:
Spontane Emission: In Atomen, Molekülen oder anderen mikroskopischen Partikeln können Elektronen externe Energie (wie elektrische oder optische Energie) absorbieren und zu einem höheren Energieniveau übergehen, der als angeregter Zustand bezeichnet wird. Die Elektronen für angeregte Staaten sind jedoch instabil und werden nach kurzer Zeit zu einem niedrigeren Energieniveau zurückkehren, der als Grundzustand bezeichnet wird. Während dieses Prozesses freisetzt das Elektron ein Photon, das spontane Emission ist. Solche Photonen sind in Bezug auf Häufigkeit, Phase und Richtung zufällig und fehlen damit die Kohärenz.
Stimulierte Emission: Der Schlüssel zur stimulierten Emission liegt darin, dass das Photon das Elektron dazu veranlassen kann, in den Grundzustand zurückzukehren, während ein neues Photon veröffentlicht wird, wenn ein Elektronen-Elektronen mit angeregter Zustand auf ein Photon mit einer Energie trifft. Das neue Photon ist in Bezug auf Frequenz-, Phasen- und Ausbreitungsrichtung identisch mit dem Original, was zu kohärentem Licht führt. Dieses Phänomen verstärkt die Anzahl und Energie von Photonen signifikant und ist der Kernmechanismus von Lasern.
Positiver Rückkopplungseffekt der stimulierten Emission: Bei der Gestaltung von Lasern wird der stimulierte Emissionsprozess mehrmals wiederholt, und dieser positive Rückkopplungseffekt kann die Anzahl der Photonen exponentiell erhöhen. Mit Hilfe einer Resonanzhöhle wird die Kohärenz von Photonen beibehalten und die Intensität des Lichtstrahls kontinuierlich erhöht.
2. Medium gewinnen
DerMedium gewinnenist das Kernmaterial im Laser, das die Verstärkung von Photonen und den Laserausgang bestimmt. Es ist die physikalische Grundlage für die stimulierte Emission, und ihre 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 normalerweise durch externe Energieversorgungssysteme erreicht. Häufige Anregungsmechanismen sind:
Elektrisches Pumpen: Spannende Elektronen im Verstärkungsmedium durch Auftragen eines elektrischen Stroms.
Optisches Pumpen: Spitzen Sie das Medium mit einer Lichtquelle (z. B. einer Blitzlampe oder einem anderen Laser).
Energieniveaus System: Elektronen im Verstärkungsmedium sind typischerweise in bestimmten Energieniveaus verteilt. Am häufigsten sindZweistufe SystemeUndvierstufige Systeme. In einem einfachen zweistufigen System wechseln die Elektronen vom Grundzustand in den angeregten Zustand und kehren dann durch stimulierte Emission in den Grundzustand zurück. In einem vierstufigen System werden Elektronen zwischen unterschiedlichen Energieniveaus komplexeren Übergängen durchlaufen, was häufig zu einer höheren Effizienz führt.
Arten von Gewinnmedien:
Gasgewinnmedium: Zum Beispiel Helium-Neon (He-Ne) Laser. Gasverstärkungsmedien sind für ihre stabile Ausgabe und feste Wellenlänge bekannt und werden in Laboratorien häufig als Standardlichtquellen verwendet.
Flüssigkeitsgewinnmedium: Zum Beispiel Farbstofflaser. Farbstoffmoleküle haben gute Anregungseigenschaften über verschiedene Wellenlängen, wodurch sie ideal für einstellbare Laser sind.
Festes Gewinnmedium: Zum Beispiel ND (Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat) Laser. Diese Laser sind hocheffizient und leistungsstark und in Industrieschneidungen, Schweißen und medizinischen Anwendungen weit verbreitet.
Halbleiter Gewinnmedium: Zum Beispiel werden Galliumarsenid (GAAs) -Materialien in der Kommunikation und optoelektronischen Geräten wie Laserdioden häufig verwendet.
3. Resonatorhöhle
DerResonatorhöhleist eine strukturelle Komponente im Laser, das für Feedback und Verstärkung verwendet wird. Seine Kernfunktion besteht darin, die Anzahl der durch stimulierten Emission erzeugten Photonen zu verbessern, indem sie im Hohlraum reflektiert und verstärkt werden, wodurch eine starke und fokussierte Laserausgabe erzeugt wird.
Struktur der Resonatorhöhle: Es besteht normalerweise aus zwei parallelen Spiegeln. Einer ist ein vollständig reflektierender Spiegel, der als der bekannt istRückspiegelund der andere ist ein teilweise reflektierender Spiegel, der als der bekannt istAusgangsspiegel. Photonen reflektieren im Hohlraum hin und her und werden durch Wechselwirkung mit dem Verstärkungsmedium verstärkt.
Resonanzzustand: Die Gestaltung des Resonatorhöhle muss bestimmte Bedingungen erfüllen, z. B. um sicherzustellen, dass Photonen stehende Wellen im Hohlraum bilden. Dies erfordert, dass die Hohlraumlänge ein Vielfaches der Laserwellenlänge ist. Nur Lichtwellen, die diese Bedingungen erfüllen, können im Hohlraum effektiv verstärkt werden.
Ausgangsstrahl: Der teilweise reflektierende Spiegel ermöglicht einen Teil des verstärkten Lichtstrahls durch und bildet den Ausgangsstrahl des Lasers. Dieser Strahl hat eine hohe Richtungen, Kohärenz und Monochromatizität.
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