หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์

หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) อิงจากปรากฏการณ์การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น ด้วยการออกแบบและโครงสร้างที่แม่นยำ เลเซอร์จึงสร้างลำแสงที่มีความสอดคล้องกันสูง มีสีเดียว และมีความสว่างสูง เลเซอร์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ รวมถึงในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร การแพทย์ การผลิต การวัด และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ประสิทธิภาพที่สูงและคุณสมบัติการควบคุมที่แม่นยำทำให้เลเซอร์เป็นองค์ประกอบหลักของเทคโนโลยีมากมาย ด้านล่างนี้คือคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของเลเซอร์และกลไกการทำงานของเลเซอร์ประเภทต่างๆ

1. การปล่อยกระตุ้น

การกระตุ้นการปล่อยเป็นหลักการพื้นฐานเบื้องหลังการสร้างด้วยเลเซอร์ ซึ่งไอน์สไตน์เสนอครั้งแรกในปี 1917 ปรากฏการณ์นี้อธิบายถึงวิธีการสร้างโฟตอนที่มีความสอดคล้องกันมากขึ้นผ่านอันตรกิริยาระหว่างแสงและสสารสถานะกระตุ้น เพื่อให้เข้าใจการแผ่รังสีแบบกระตุ้นได้ดียิ่งขึ้น เราจะเริ่มต้นด้วยการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง:

การปลดปล่อยตามธรรมชาติในอะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานภายนอก (เช่น พลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสง) และเปลี่ยนผ่านไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเรียกว่าสถานะกระตุ้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นจะไม่เสถียรและในที่สุดจะกลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งเรียกว่าสถานะพื้น หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งเป็นการปลดปล่อยที่เกิดขึ้นเอง โฟตอนเหล่านี้มีความถี่ เฟส และทิศทางแบบสุ่ม จึงขาดความสอดคล้องกัน

การกระตุ้นการปล่อย:กุญแจสำคัญของการปล่อยรังสีกระตุ้นคือ เมื่ออิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นพบกับโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับพลังงานทรานซิชัน โฟตอนสามารถกระตุ้นให้อิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นพร้อมกับปล่อยโฟตอนใหม่ออกมา โฟตอนใหม่จะเหมือนกับโฟตอนเดิมทั้งในด้านความถี่ เฟส และทิศทางการแพร่กระจาย ส่งผลให้แสงมีความสอดคล้องกัน ปรากฏการณ์นี้เพิ่มจำนวนและพลังงานของโฟตอนอย่างมีนัยสำคัญ และเป็นกลไกหลักของเลเซอร์

ผลการตอบรับเชิงบวกของการปล่อยกระตุ้น:ในการออกแบบเลเซอร์ กระบวนการปล่อยรังสีกระตุ้นจะถูกทำซ้ำหลายครั้ง และผลป้อนกลับเชิงบวกนี้สามารถเพิ่มจำนวนโฟตอนได้อย่างทวีคูณ ด้วยความช่วยเหลือของโพรงเรโซแนนซ์ ความสอดคล้องของโฟตอนจะคงอยู่ และความเข้มของลำแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

2. ได้รับปานกลาง

การเพิ่มระดับกลางเป็นวัสดุแกนกลางในเลเซอร์ที่เป็นตัวกำหนดการขยายของโฟตอนและเอาต์พุตของเลเซอร์ เป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการแผ่รังสีแบบกระตุ้น และคุณสมบัติของวัสดุนี้กำหนดความถี่ ความยาวคลื่น และกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ ชนิดและคุณสมบัติของตัวกลางอัตราขยายส่งผลโดยตรงต่อการใช้งานและประสิทธิภาพของเลเซอร์

กลไกการกระตุ้น:อิเล็กตรอนในตัวกลางเกนจำเป็นต้องถูกกระตุ้นไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก กระบวนการนี้มักเกิดขึ้นโดยระบบจ่ายพลังงานภายนอก กลไกการกระตุ้นทั่วไปประกอบด้วย:

การสูบน้ำด้วยไฟฟ้า:การกระตุ้นอิเล็กตรอนในตัวกลางเกนโดยการใช้กระแสไฟฟ้า

การสูบน้ำด้วยแสง:การกระตุ้นตัวกลางด้วยแหล่งกำเนิดแสง (เช่น หลอดแฟลชหรือเลเซอร์อื่น)

ระบบระดับพลังงาน:โดยทั่วไปอิเล็กตรอนในตัวกลางเกนจะกระจายตัวในระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งพบได้บ่อยที่สุดระบบสองระดับและระบบสี่ระดับในระบบสองระดับแบบง่าย อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นไปเป็นสถานะกระตุ้น แล้วกลับสู่สถานะพื้นผ่านการปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น ในระบบสี่ระดับ อิเล็กตรอนจะผ่านการเปลี่ยนผ่านที่ซับซ้อนมากขึ้นระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน ซึ่งมักจะส่งผลให้ประสิทธิภาพสูงขึ้น

ประเภทของสื่อเกน:

ตัวกลางรับก๊าซ:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน (He-Ne) ตัวกลางแก๊สเกนขึ้นชื่อในเรื่องเอาต์พุตที่เสถียรและความยาวคลื่นคงที่ และถูกใช้อย่างแพร่หลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานในห้องปฏิบัติการ

ของเหลวเพิ่มปานกลาง:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สีย้อม โมเลกุลของสีย้อมมีคุณสมบัติในการกระตุ้นที่ดีในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเลเซอร์แบบปรับได้

กำไรที่มั่นคงปานกลาง:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ Nd (อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนตเจือด้วยนีโอดิเมียม) เลเซอร์เหล่านี้มีประสิทธิภาพและประสิทธิภาพสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการตัด การเชื่อม และการแพทย์

ตัวกลางขยายเซมิคอนดักเตอร์:ตัวอย่างเช่น วัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สื่อสารและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ไดโอดเลเซอร์

3. โพรงเรโซเนเตอร์

การโพรงเรโซเนเตอร์เป็นส่วนประกอบโครงสร้างในเลเซอร์ที่ใช้สำหรับการป้อนกลับและการขยายสัญญาณ หน้าที่หลักของเลเซอร์คือการเพิ่มจำนวนโฟตอนที่ผลิตขึ้นผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น โดยการสะท้อนและขยายสัญญาณภายในโพรง ทำให้เกิดเอาต์พุตเลเซอร์ที่เข้มข้นและโฟกัส

โครงสร้างของโพรงเรโซเนเตอร์:โดยปกติจะประกอบด้วยกระจกคู่ขนานสองบาน บานหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงเต็มบาน เรียกว่ากระจกมองหลังและอีกอันหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วน เรียกว่ากระจกเอาต์พุตโฟตอนสะท้อนกลับไปกลับมาภายในโพรงและถูกขยายผ่านปฏิสัมพันธ์กับตัวกลางที่รับค่าเกน

สภาวะเรโซแนนซ์การออกแบบโพรงเรโซเนเตอร์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขบางประการ เช่น การทำให้โฟตอนเกิดคลื่นนิ่งภายในโพรง ซึ่งกำหนดให้ความยาวของโพรงเป็นทวีคูณของความยาวคลื่นเลเซอร์ เฉพาะคลื่นแสงที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้นจึงจะสามารถขยายได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในโพรง

ลำแสงเอาต์พุต:กระจกสะท้อนแสงบางส่วนทำให้ลำแสงที่ถูกขยายผ่านเข้าไปได้บางส่วน ทำให้เกิดลำแสงเลเซอร์ที่ส่งออกมา ลำแสงนี้มีทิศทาง ความสอดคล้อง และความเป็นสีเดียวสูง.

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมหรือสนใจเกี่ยวกับเลเซอร์ โปรดติดต่อเรา:

ลูมิสปอต

ที่อยู่: อาคาร 4 #, เลขที่ 99 ถนนฟูหรงสาย 3, เขตซีซาน, อู๋ซี, 214000, จีน

โทร: + 86-0510 87381808.

มือถือ: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

เว็บไซต์: www.lumispot-tech.com