עקרון העבודה הבסיסי של לייזר

עקרון העבודה הבסיסי של לייזר (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) מבוסס על תופעת פליטת אור מגורה. באמצעות סדרה של עיצובים ומבנים מדויקים, לייזרים מייצרים אלומות עם קוהרנטיות גבוהה, מונוכרומטיות ובהירות. הלייזרים נמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה מודרנית, כולל בתחומים כמו תקשורת, רפואה, ייצור, מדידה ומחקר מדעי. היעילות הגבוהה ומאפייני הבקרה המדויקים שלהם הופכים אותם למרכיב הליבה של טכנולוגיות רבות. להלן הסבר מפורט על עקרונות העבודה של הלייזרים והמנגנונים של סוגים שונים של לייזרים.

1. פליטה מעוררת

פליטה מגורההוא העיקרון הבסיסי מאחורי יצירת הלייזר, שהוצע לראשונה על ידי איינשטיין בשנת 1917. תופעה זו מתארת ​​כיצד נוצרים פוטונים קוהרנטיים יותר באמצעות האינטראקציה בין אור לחומר במצב נרגש. כדי להבין טוב יותר פליטה מגורה, נתחיל עם פליטה ספונטנית:

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

פליטה מעוררת: המפתח לפליטה מעוררת הוא שכאשר אלקטרון במצב נרגש נתקל בפוטון עם אנרגיה התואמת את אנרגיית המעבר שלו, הפוטון יכול להנחות את האלקטרון לחזור למצב הקרקע תוך שחרור פוטון חדש. הפוטון החדש זהה לזה המקורי מבחינת תדירות, פאזה וכיוון התפשטות, וכתוצאה מכך אור קוהרנטי. תופעה זו מגבירה משמעותית את מספר ואנרגיה של פוטונים והיא מנגנון הליבה של הלייזרים.

אפקט משוב חיובי של פליטה מעוררת: בתכנון של לייזרים, תהליך הפליטה המגורה חוזר על עצמו מספר פעמים, ואפקט המשוב החיובי הזה יכול להגדיל באופן אקספוננציאלי את מספר הפוטונים. בעזרת חלל תהודה נשמרת הקוהרנטיות של הפוטונים ועוצמת קרן האור מוגברת ללא הרף.

2. רווח בינוני

הרווח בינוניהוא חומר הליבה בלייזר הקובע את ההגברה של הפוטונים ואת תפוקת הלייזר. זהו הבסיס הפיזיקלי לפליטת מגורה, ותכונותיו קובעות את התדירות, אורך הגל והספק המוצא של הלייזר. הסוג והמאפיינים של מדיום הרווח משפיעים ישירות על היישום והביצועים של הלייזר.

מנגנון עירור: אלקטרונים במדיום 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 חשמלית: ריגוש האלקטרונים במדיום ההגבר על ידי הפעלת זרם חשמלי.

שאיבה אופטית: מרגש את המדיום באמצעות מקור אור (כגון מנורת הבזק או לייזר אחר).

מערכת רמות אנרגיה: אלקטרונים במדיום ההגבר מופצים בדרך כלל ברמות אנרגיה ספציפיות. הנפוצים ביותר הםמערכות דו-מפלסיותומערכות ארבע רמות. במערכת דו-מפלסית פשוטה, אלקטרונים עוברים ממצב הקרקע למצב הנרגש ואז חוזרים למצב הקרקע באמצעות פליטה מעוררת. במערכת של ארבע רמות, אלקטרונים עוברים מעברים מורכבים יותר בין רמות אנרגיה שונות, מה שגורם לרוב ליעילות גבוהה יותר.

סוגי מדיה רווחים:

גז רווח בינוני: לדוגמה, לייזרים הליום-ניאון (He-Ne). מדיה להגברת גז ידועה בתפוקה יציבה ובאורך גל קבוע שלהן, ונמצאת בשימוש נרחב כמקורות אור סטנדרטיים במעבדות.

רווח נוזלי בינוני: לדוגמה, לייזרים לצבוע. למולקולות צבע יש תכונות עירור טובות על פני אורכי גל שונים, מה שהופך אותן לאידיאליות עבור לייזרים ניתנים לכיוון.

רווח מוצק בינוני: לדוגמה, לייזרים Nd(ניאודימיום מסוממים איטריום אלומיניום נופך). לייזרים אלו הם יעילים וחזקים ביותר, והם נמצאים בשימוש נרחב בחיתוך תעשייתי, ריתוך ויישומים רפואיים.

רווח בינוני של מוליכים למחצה: לדוגמה, חומרי גליום ארסניד (GaAs) נמצאים בשימוש נרחב בתקשורת ובמכשירים אופטו-אלקטרוניים כגון דיודות לייזר.

3. חלל תהודה

החלל תהודההוא רכיב מבני בלייזר המשמש למשוב ולהגברה. תפקיד הליבה שלו הוא לשפר את מספר הפוטונים המיוצרים באמצעות פליטה מעוררת על ידי החזרה והגברה שלהם בתוך החלל, ובכך לייצר פלט לייזר חזק וממוקד.

מבנה חלל התהודה: לרוב הוא מורכב משתי מראות מקבילות. האחת היא מראה רפלקטיבית מלאה, המכונהמראה אחורית, והשנייה היא מראה רפלקטיבית חלקית, הידועה בשםמראה פלט. פוטונים משתקפים קדימה ואחורה בתוך החלל ומוגברים באמצעות אינטראקציה עם מדיום הרווח.

מצב תהודה: העיצוב של חלל התהודה חייב לעמוד בתנאים מסוימים, כמו להבטיח שפוטונים יוצרים גלים עומדים בתוך החלל. זה דורש שאורך החלל יהיה כפול של אורך הגל של הלייזר. רק גלי אור העומדים בתנאים אלה יכולים להיות מוגברים ביעילות בתוך החלל.

קרן פלט: המראה הרפלקטיבית חלקית מאפשרת לחלק מקרן האור המוגברת לעבור דרכה, ויוצרת את אלומת הפלט של הלייזר. לקורה זו יש כיווניות גבוהה, קוהרנטיות ומונוכרומטיות.

אם אתה רוצה ללמוד עוד או מתעניין בלייזר, אנא אל תהסס לפנות אלינו:

לומיספוט

כתובת: Building 4 #, No.99 Furong 3rd Road, Xishan Dist. Wuxi, 214000, סין

טל': + 86-0510 87381808.

נייד: +86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

אתר אינטרנט: www.lumispot-tech.com