Принцип лазера

Принцип работы лазеров основан на вынужденном излучении — концепции, впервые предложенной Эйнштейном в начале 20 века. Основной процесс заключается в следующем:

- Электронный переход: атомы или молекулы в рабочей среде получают энергию под воздействием источника накачки (например, электрической энергии, энергии света и т. д.), переходя с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень, переходя в возбужденное состояние. Поскольку высокий энергетический уровень нестабилен, атомы или молекулы самопроизвольно переходят обратно на низкий энергетический уровень, высвобождая при этом фотоны.

- Отражение в резонансной полости: эти фотоны отражаются взад и вперед внутри резонансной полости, взаимодействуя с другими атомами или молекулами в возбужденном состоянии в рабочей среде, вызывая более стимулированное излучение. Это приводит к резкому увеличению количества фотонов, что приводит к образованию высокоинтенсивного, высокомонохроматического и чрезвычайно направленного лазерного света.

Лазерные компоненты

Лазер в основном состоит из трех частей: рабочего тела, источника накачки и резонансного резонатора.

- Рабочая среда: это основа генерации лазера. Он состоит из активной среды, обеспечивающей инверсию населенности, такой как рубин, неодимовое стекло или углекислый газ.

- Источник насоса: подает энергию в рабочую среду, вызывая стимулированное излучение. Общие методы включают электрическое возбуждение и оптическое возбуждение.

- Резонансная полость: состоящая из зеркал полного внутреннего отражения и зеркал частичного внутреннего отражения, она обеспечивает обратную связь и колебательную среду для фотонов, позволяя им многократно перемещаться вперед и назад внутри полости, усиливая эффект стимулированного излучения и, в конечном итоге, формируя выходной сигнал лазера.

Разница между одномодовыми и многомодовыми лазерами

Основное различие между одномодовыми и многомодовыми лазерами заключается в количестве мод выходного пучка.

- Одномодовый лазер: поддерживает только один режим распространения света. Он имеет высокое качество луча, хорошую направленность и когерентность, стандартное круглое пятно луча и небольшой угол расхождения. Он подходит для высокоточных приложений, таких как лазерные интерферометры и волоконно-оптическая связь.

- Многомодовый лазер: поддерживает несколько режимов распространения света. Он имеет большой угол расходимости выходного пучка, сложную форму пучка и распределение интенсивности, меньшую длину когерентности, но высокую выходную мощность. Он подходит для менее требовательных применений, таких как обработка материалов и лазерное освещение.

Лазеры – гауссовы лучи

Лазеры называются гауссовскими лучами, потому что распределение их интенсивности по поперечному сечению примерно соответствует функции Гаусса, что означает, что интенсивность высока в центре и постепенно снижается к краям, образуя колоколообразную кривую.

Такая характеристика распределения обусловлена ​​самовоспроизводимостью лазера во время его формирования внутри резонансной полости; даже после дифракции и распространения его распределение интенсивности сохраняет гауссову форму. Гауссовы лучи обладают превосходными характеристиками фокусировки и монохроматичностью, что эффективно снижает конкуренцию мод и улучшает качество луча, что делает их широко используемыми в проектировании оптических систем, лазерной обработке и других областях.

Классификация лазеров Лазеры можно классифицировать по многим признакам, один из которых – по рабочему телу:

- Твердотельные лазеры. В них в качестве рабочей среды используются твердые материалы, такие как лазеры на алюминиевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG). Эти лазеры обычно имеют высокую выходную мощность и хорошую стабильность и широко используются в промышленной обработке, медицине и научных исследованиях.

- Газовые лазеры: в качестве рабочей среды используются газы, например, гелий-неоновые лазеры (He-Ne) и углекислотные лазеры (CO2). Газовые лазеры имеют широкое применение в видимой и инфракрасной областях спектра.

- Жидкостные лазеры: также известные как лазеры на красителях, в них в качестве рабочей среды используются растворы органических красителей. Возможность настройки длины волны дает им уникальные преимущества в научных исследованиях и биомедицине.

- Полупроводниковые лазеры: в качестве рабочей среды используются полупроводниковые материалы, например лазерные диоды. Эти лазеры обладают преимуществами в миниатюризации и интеграции и широко используются в оптической связи, лазерной печати и других областях.

- Лазеры на свободных электронах: в качестве рабочей среды они используют высокоскоростные пучки свободных электронов. Они предлагают широкий диапазон выходной мощности и длин волн, что делает их пригодными для физики высоких энергий и рентгеновской спектроскопии.