עקרון הפעולה הבסיסי של לייזר

עקרון הפעולה הבסיסי של לייזר (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) מבוסס על תופעת פליטת האור המגורה. באמצעות סדרה של עיצובים ומבנים מדויקים, לייזרים מייצרים אלומות בעלות קוהרנטיות, מונוכרומטיות ובהירות גבוהות. לייזרים נמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה מודרנית, כולל בתחומים כמו תקשורת, רפואה, ייצור, מדידה ומחקר מדעי. יעילותם הגבוהה ומאפייני הבקרה המדויקים שלהם הופכים אותם למרכיב המרכזי של טכנולוגיות רבות. להלן הסבר מפורט על עקרונות הפעולה של לייזרים ועל המנגנונים של סוגים שונים של לייזרים.

1. פליטה מגורה

פליטה מגורההוא העיקרון הבסיסי מאחורי יצירת לייזר, שהוצע לראשונה על ידי איינשטיין בשנת 1917. תופעה זו מתארת ​​כיצד נוצרים פוטונים קוהרנטיים יותר באמצעות האינטראקציה בין אור לחומר במצב מעורר. כדי להבין טוב יותר את הפליטה המגורה, נתחיל בפליטה ספונטנית:

פליטה ספונטניתבאטומים, מולקולות או חלקיקים מיקרוסקופיים אחרים, אלקטרונים יכולים לספוג אנרגיה חיצונית (כגון אנרגיה חשמלית או אופטית) ולעבור לרמת אנרגיה גבוהה יותר, המכונה מצב מעורר. עם זאת, אלקטרונים במצב מעורר אינם יציבים ובסופו של דבר יחזרו לרמת אנרגיה נמוכה יותר, המכונה מצב יסוד, לאחר תקופה קצרה. במהלך תהליך זה, האלקטרון משחרר פוטון, שהוא פליטה ספונטנית. פוטונים כאלה הם אקראיים מבחינת תדירות, פאזה וכיוון, ולכן חסרים קוהרנטיות.

פליטה מגורההמפתח לפליטה מגורה הוא שכאשר אלקטרון במצב מעורר נתקל בפוטון עם אנרגיה התואמת את אנרגיית המעבר שלו, הפוטון יכול לגרום לאלקטרון לחזור למצב היסוד תוך שחרור פוטון חדש. הפוטון החדש זהה למקורי מבחינת תדירות, פאזה וכיוון התפשטות, וכתוצאה מכך נוצר אור קוהרנטי. תופעה זו מגבירה באופן משמעותי את מספר הפוטונים והאנרגיה שלהם והיא המנגנון המרכזי של לייזרים.

אפקט משוב חיובי של פליטה מגורהבתכנון לייזרים, תהליך הפליטה המגורה חוזר על עצמו מספר פעמים, ואפקט משוב חיובי זה יכול להגדיל באופן אקספוננציאלי את מספר הפוטונים. בעזרת חלל תהודה, קוהרנטיות הפוטונים נשמרת, ועוצמת קרן האור עולה באופן רציף.

2. הגברת מדיום

הרווח בינוניהוא חומר הליבה בלייזר שקובע את הגברת הפוטונים ואת תפוקת הלייזר. זהו הבסיס הפיזי לפליטה מגורה, ותכונותיו קובעות את התדר, אורך הגל והספק המוצא של הלייזר. סוג ומאפייני תווך ההגבר משפיעים ישירות על היישום והביצועים של הלייזר.

מנגנון עירוראלקטרונים בתווך ההגבר צריכים להיות מעוררים לרמת אנרגיה גבוהה יותר על ידי מקור אנרגיה חיצוני. תהליך זה מושג בדרך כלל על ידי מערכות אספקת אנרגיה חיצוניות. מנגנוני עירור נפוצים כוללים:

שאיבה חשמליתעירור האלקטרונים בתווך ההגבר על ידי הפעלת זרם חשמלי.

שאיבה אופטיתעירור המדיום באמצעות מקור אור (כגון מנורת הבזק או לייזר אחר).

מערכת רמות אנרגיהאלקטרונים בתווך ההגבר מפוזרים בדרך כלל ברמות אנרגיה ספציפיות. הנפוצים ביותר הםמערכות דו-מפלסיותומערכות בעלות ארבע רמותבמערכת פשוטה בת שתי רמות, אלקטרונים עוברים ממצב יסוד למצב מעורר ואז חוזרים למצב יסוד באמצעות פליטה מגורה. במערכת בת ארבע רמות, אלקטרונים עוברים מעברים מורכבים יותר בין רמות אנרגיה שונות, מה שמביא לעתים קרובות ליעילות גבוהה יותר.

סוגי מדיות רווח:

מדיום הגברת גזלדוגמה, לייזרי הליום-ניאון (He-Ne). מדיות השגת גז ידועות ביציבותן ובאורך הגל הקבוע שלהן, ונמצאות בשימוש נרחב כמקורות אור סטנדרטיים במעבדות.

מדיום רווח נוזלילדוגמה, לייזרים צבעוניים. למולקולות צבע יש תכונות עירור טובות באורכי גל שונים, מה שהופך אותן לאידיאליות עבור לייזרים מתכווננים.

רווח מוצק בינונילדוגמה, לייזרים מסוג Nd (איטריום אלומיניום מסומם בנאודימיום עם גארנט). לייזרים אלה יעילים ועוצמתיים ביותר, ונמצאים בשימוש נרחב בחיתוך תעשייתי, ריתוך ויישומים רפואיים.

מדיום הגבר מוליכים למחצהלדוגמה, חומרים המכילים גליום ארסניד (GaAs) נמצאים בשימוש נרחב בתקשורת ובמכשירים אופטואלקטרוניים כגון דיודות לייזר.

3. חלל המהוד

החלל התהודההוא רכיב מבני בלייזר המשמש למשוב והגברה. תפקידו העיקרי הוא להגביר את מספר הפוטונים המופקים באמצעות פליטה מגורה על ידי החזרתם והגברתם בתוך החלל, ובכך לייצר פלט לייזר חזק וממוקד.

מבנה חלל המהודבדרך כלל הוא מורכב משתי מראות מקבילות. אחת מהן היא מראה מחזירת אור במלואה, המכונהמראה אחורית, והשנייה היא מראה מחזירת אור חלקית, המכונהמראה פלטפוטונים מחזירים הלוך ושוב בתוך החלל ומוגברים באמצעות אינטראקציה עם תווך ההגבר.

תנאי תהודהתכנון חלל המהוד חייב לעמוד בתנאים מסוימים, כגון הבטחה שפוטונים יוצרים גלים עומדים בתוך החלל. זה דורש שאורך החלל יהיה כפולה של אורך הגל של הלייזר. רק גלי אור העומדים בתנאים אלה ניתנים להגברה יעילה בתוך החלל.

קרן פלטהמראה המחזירה אור חלקית מאפשרת לחלק מקרן האור המוגברת לעבור דרכה, ויוצרת את קרן הפלט של הלייזר. קרן זו בעלת כיווניות, קוהרנטיות ומונוכרומטיות גבוהות..

אם אתם רוצים ללמוד עוד או מתעניינים בלייזרים, אל תהססו לפנות אלינו:

לומיספוט

כתובת: בניין 4 #, מספר 99 דרך פורונג השלישית, מחוז שישאן, וושי, 214000, סין

טלפון: 86-0510 87381808+.

נייד: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

אתר אינטרנט: www.lumispot-tech.com