หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์

หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) มีพื้นฐานมาจากปรากฏการณ์การกระตุ้นการปล่อยแสง ด้วยการออกแบบและโครงสร้างที่แม่นยำหลายชุด เลเซอร์จะสร้างลำแสงที่มีความสอดคล้องกัน มีสีเดียว และความสว่างสูง เลเซอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ รวมถึงในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร การแพทย์ การผลิต การวัด และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ประสิทธิภาพสูงและคุณลักษณะการควบคุมที่แม่นยำทำให้เป็นองค์ประกอบหลักของเทคโนโลยีมากมาย ด้านล่างนี้เป็นคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของเลเซอร์และกลไกของเลเซอร์ประเภทต่างๆ

1. การปล่อยก๊าซกระตุ้น

การปล่อยก๊าซกระตุ้นเป็นหลักการพื้นฐานเบื้องหลังการสร้างเลเซอร์ ซึ่งเสนอครั้งแรกโดยไอน์สไตน์ในปี พ.ศ. 2460 ปรากฏการณ์นี้อธิบายว่าโฟตอนมีความสอดคล้องกันมากขึ้นเกิดขึ้นได้อย่างไรผ่านอันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสารในสภาวะตื่นเต้น เพื่อให้เข้าใจถึงการปล่อยก๊าซกระตุ้นได้ดีขึ้น เรามาเริ่มกันด้วยการปล่อยก๊าซธรรมชาติ:

การปล่อยก๊าซธรรมชาติ: ในอะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคขนาดเล็กจิ๋วอื่นๆ อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานภายนอก (เช่น พลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสง) และเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น หรือที่เรียกว่าสภาวะตื่นเต้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนในสภาวะตื่นเต้นจะไม่เสถียร และในที่สุดจะกลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าหรือที่เรียกว่าสถานะพื้นหลังจากช่วงระยะเวลาสั้นๆ ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอน ซึ่งเป็นการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเอง โฟตอนดังกล่าวสุ่มในแง่ของความถี่ เฟส และทิศทาง ดังนั้นจึงขาดการเชื่อมโยงกัน

การปล่อยก๊าซกระตุ้น: กุญแจสำคัญในการกระตุ้นการปล่อยก๊าซเรือนกระจกคือเมื่ออิเล็กตรอนในสภาวะตื่นเต้นพบกับโฟตอนที่มีพลังงานตรงกับพลังงานการเปลี่ยนผ่าน โฟตอนสามารถกระตุ้นให้อิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นพร้อมกับปล่อยโฟตอนใหม่ออกมา โฟตอนใหม่จะเหมือนกับโฟตอนดั้งเดิมในแง่ของความถี่ เฟส และทิศทางการแพร่กระจาย ส่งผลให้แสงมีความสอดคล้องกัน ปรากฏการณ์นี้ขยายจำนวนและพลังงานของโฟตอนได้อย่างมาก และเป็นกลไกหลักของเลเซอร์

ผลตอบรับเชิงบวกของการปล่อยกระตุ้น: ในการออกแบบเลเซอร์ กระบวนการกระตุ้นการปล่อยก๊าซจะถูกทำซ้ำหลายครั้ง และผลตอบรับเชิงบวกนี้สามารถเพิ่มจำนวนโฟตอนได้แบบทวีคูณ ด้วยความช่วยเหลือของช่องเรโซแนนซ์ โฟตอนจะคงความสอดคล้องกัน และความเข้มของลำแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

2. รับสื่อ

ที่ได้รับสื่อเป็นวัสดุแกนกลางในเลเซอร์ที่กำหนดการขยายโฟตอนและเอาท์พุตเลเซอร์ เป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการปล่อยก๊าซกระตุ้น และคุณสมบัติของเลเซอร์จะกำหนดความถี่ ความยาวคลื่น และกำลังเอาท์พุตของเลเซอร์ ประเภทและลักษณะของตัวกลางเกนส่งผลโดยตรงต่อการใช้งานและประสิทธิภาพของเลเซอร์

กลไกการกระตุ้น: อิเล็กตรอนในตัวกลางที่ได้รับจะต้องตื่นเต้นกับระดับพลังงานที่สูงขึ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก กระบวนการนี้มักจะทำได้โดยระบบจ่ายพลังงานภายนอก กลไกการกระตุ้นทั่วไป ได้แก่:

ปั๊มไฟฟ้า: กระตุ้นอิเล็กตรอนในตัวกลางเกนโดยการใช้กระแสไฟฟ้า

การสูบน้ำด้วยแสง: สร้างความตื่นเต้นให้กับสื่อด้วยแหล่งกำเนิดแสง (เช่น ไฟแฟลชหรือเลเซอร์อื่น)

ระบบระดับพลังงาน: โดยทั่วไปอิเล็กตรอนในตัวกลางเกนจะกระจายไปตามระดับพลังงานจำเพาะ ที่พบบ่อยที่สุดคือระบบสองระดับและระบบสี่ระดับ- ในระบบสองระดับง่ายๆ อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นเป็นสถานะตื่นเต้น จากนั้นจึงกลับสู่สถานะพื้นผ่านการปล่อยสารกระตุ้น ในระบบสี่ระดับ อิเล็กตรอนจะผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนมากขึ้นระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน ซึ่งมักจะส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น

ประเภทของสื่อกำไร:

ก๊าซได้รับปานกลาง: เช่น เลเซอร์ฮีเลียมนีออน (He-Ne) ตัวกลางที่ได้รับก๊าซเป็นที่รู้จักในด้านเอาท์พุตที่เสถียรและความยาวคลื่นคงที่ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานในห้องปฏิบัติการ

ของเหลวได้รับปานกลาง: เช่น เลเซอร์ย้อมสี โมเลกุลของสีย้อมมีคุณสมบัติกระตุ้นที่ดีในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทำให้เหมาะสำหรับเลเซอร์ที่ปรับได้

กำไรแข็งปานกลาง: ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ Nd (อะลูมิเนียมโกเมนเจือด้วยนีโอไดเมียม) เลเซอร์เหล่านี้มีประสิทธิภาพและกำลังสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัด การเชื่อม และการใช้งานทางการแพทย์ในอุตสาหกรรม

สารกึ่งตัวนำได้รับสื่อ: ตัวอย่างเช่น วัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เลเซอร์ไดโอด

3. ช่องสะท้อนเสียง

ที่ช่องสะท้อนเสียงเป็นส่วนประกอบโครงสร้างในเลเซอร์ที่ใช้สำหรับการป้อนกลับและการขยายสัญญาณ หน้าที่หลักของมันคือการเพิ่มจำนวนโฟตอนที่ผลิตโดยการกระตุ้นการปล่อยก๊าซโดยการสะท้อนและขยายพวกมันภายในคาวิตี้ จึงสร้างเอาต์พุตเลเซอร์ที่แข็งแกร่งและโฟกัส

โครงสร้างของโพรงแร่: โดยปกติจะประกอบด้วยกระจกสองบานที่ขนานกัน หนึ่งคือกระจกสะท้อนแสงแบบเต็มตัวที่เรียกว่ากระจกมองหลังและอีกอันเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วนเรียกว่ากระจกเอาท์พุท- โฟตอนสะท้อนไปมาภายในโพรงและถูกขยายผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับตัวกลางเกน

สภาพเรโซแนนซ์: การออกแบบช่องสะท้อนเสียงต้องเป็นไปตามเงื่อนไขบางประการ เช่น การตรวจสอบให้แน่ใจว่าโฟตอนก่อตัวเป็นคลื่นนิ่งภายในช่อง สิ่งนี้ต้องการให้ความยาวของช่องเป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่นเลเซอร์ เฉพาะคลื่นแสงที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้นที่สามารถขยายภายในช่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ลำแสงเอาท์พุต: กระจกสะท้อนแสงบางส่วนช่วยให้ส่วนหนึ่งของลำแสงที่ขยายทะลุผ่านได้ ทำให้เกิดเป็นลำแสงเอาท์พุตของเลเซอร์ ลำแสงนี้มีทิศทาง ความสอดคล้องกัน และมีสีเดียวสูง.

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมหรือสนใจเกี่ยวกับเลเซอร์ โปรดติดต่อเรา:

ลูมิสปอต

ที่อยู่: อาคาร 4 # เลขที่ 99 ถนน Furong 3 เขต Xishan อู๋ซี 214000 จีน

โทร: + 86-0510 87381808

มือถือ: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

เว็บไซต์: www.lumispot-tech.com