หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์

หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการกระตุ้นการปล่อยแสง ผ่านการออกแบบและโครงสร้างที่แม่นยำหลายชุด เลเซอร์สร้างลำแสงที่มีความสอดคล้องสูง มีสีเดียว และมีความสว่าง เลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ รวมถึงในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร การแพทย์ การผลิต การวัด และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ประสิทธิภาพสูงและคุณลักษณะการควบคุมที่แม่นยำทำให้เลเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักของเทคโนโลยีต่างๆ ด้านล่างนี้เป็นคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของเลเซอร์และกลไกของเลเซอร์ประเภทต่างๆ

1. การกระตุ้นการปล่อย

กระตุ้นการปล่อยเป็นหลักการพื้นฐานเบื้องหลังการสร้างด้วยเลเซอร์ ซึ่งไอน์สไตน์เสนอครั้งแรกในปี 1917 ปรากฏการณ์นี้บรรยายถึงการสร้างโฟตอนที่มีความสอดคล้องกันมากขึ้นผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในสถานะกระตุ้น เพื่อให้เข้าใจการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นได้ดีขึ้น เราจะเริ่มต้นด้วยการแผ่รังสีโดยธรรมชาติ:

การปลดปล่อยตามธรรมชาติ:ในอะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคจุลภาคอื่นๆ อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานภายนอก (เช่น พลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสง) และเปลี่ยนผ่านไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเรียกว่าสถานะกระตุ้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นนั้นไม่เสถียร และในที่สุดจะกลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งเรียกว่าสถานะพื้นฐาน หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งเป็นการแผ่รังสีโดยธรรมชาติ โฟตอนดังกล่าวสุ่มในแง่ของความถี่ เฟส และทิศทาง จึงขาดความสอดคล้องกัน

การกระตุ้นการปล่อย:กุญแจสำคัญของการปล่อยแสงที่ถูกกระตุ้นคือ เมื่ออิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นพบกับโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับพลังงานเปลี่ยนผ่าน โฟตอนจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นฐานในขณะที่ปล่อยโฟตอนใหม่ออกมา โฟตอนใหม่จะเหมือนกันกับโฟตอนเดิมในแง่ของความถี่ เฟส และทิศทางการแพร่กระจาย ส่งผลให้แสงมีความสอดคล้องกัน ปรากฏการณ์นี้ทำให้จำนวนและพลังงานของโฟตอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก และเป็นกลไกหลักของเลเซอร์

ผลการตอบรับเชิงบวกของการปล่อยกระตุ้น:ในการออกแบบเลเซอร์ กระบวนการปล่อยแสงกระตุ้นจะเกิดขึ้นซ้ำหลายครั้ง และผลตอบรับเชิงบวกนี้สามารถเพิ่มจำนวนโฟตอนได้อย่างทวีคูณ ด้วยความช่วยเหลือของโพรงเรโซแนนซ์ ความสอดคล้องของโฟตอนจะคงอยู่ และความเข้มของลำแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

2. เพิ่มระดับกลาง

การได้รับปานกลางเป็นวัสดุหลักในเลเซอร์ที่ทำหน้าที่กำหนดการขยายของโฟตอนและเอาต์พุตของเลเซอร์ เป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการปล่อยรังสีกระตุ้น และคุณสมบัติของวัสดุนี้จะกำหนดความถี่ ความยาวคลื่น และกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ ชนิดและคุณลักษณะของตัวกลางเกนส่งผลโดยตรงต่อการใช้งานและประสิทธิภาพของเลเซอร์

กลไกการกระตุ้น:อิเล็กตรอนในตัวกลางเกนต้องถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานที่สูงขึ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก กระบวนการนี้มักทำได้โดยระบบจ่ายพลังงานภายนอก กลไกการกระตุ้นทั่วไป ได้แก่:

การสูบน้ำด้วยไฟฟ้า:กระตุ้นอิเล็กตรอนในตัวกลางเกนโดยการใช้กระแสไฟฟ้า

การสูบน้ำด้วยแสง:การกระตุ้นตัวกลางด้วยแหล่งกำเนิดแสง (เช่น หลอดแฟลช หรือเลเซอร์ชนิดอื่น)

ระบบระดับพลังงาน:อิเล็กตรอนในตัวกลางเกนโดยทั่วไปจะกระจายตัวในระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งระดับพลังงานที่พบมากที่สุดคือระบบสองระดับและระบบสี่ระดับในระบบสองระดับที่เรียบง่าย อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นฐานไปเป็นสถานะกระตุ้น จากนั้นจึงกลับสู่สถานะพื้นฐานผ่านการปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น ในระบบสี่ระดับ อิเล็กตรอนจะผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนมากขึ้นระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน ซึ่งมักจะส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงกว่า

ประเภทของสื่อรับ:

แก๊สเกนกลาง:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน (He-Ne) สื่อรับก๊าซเป็นที่รู้จักกันว่ามีเอาต์พุตที่เสถียรและมีความยาวคลื่นคงที่ และใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานในห้องปฏิบัติการกันอย่างแพร่หลาย

ของเหลวที่ได้รับปานกลาง:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สีย้อม โมเลกุลสีย้อมมีคุณสมบัติในการกระตุ้นที่ดีในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเลเซอร์แบบปรับได้

กำไรที่มั่นคงปานกลาง:ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ Nd (นีโอดิเมียมเจือปนอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต) เลเซอร์เหล่านี้มีประสิทธิภาพและทรงพลังสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัด การเชื่อม และการแพทย์ในอุตสาหกรรม

ตัวกลางขยายเซมิคอนดักเตอร์:ตัวอย่างเช่น วัสดุแกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สื่อสารและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ไดโอดเลเซอร์

3. โพรงเรโซเนเตอร์

การโพรงเรโซเนเตอร์เป็นส่วนประกอบโครงสร้างในเลเซอร์ที่ใช้สำหรับการตอบสนองและการขยายสัญญาณ หน้าที่หลักของเลเซอร์คือเพิ่มจำนวนโฟตอนที่ผลิตขึ้นผ่านการปล่อยแสงกระตุ้นโดยการสะท้อนและขยายสัญญาณภายในโพรง ทำให้เกิดเอาต์พุตเลเซอร์ที่แข็งแกร่งและโฟกัสได้

โครงสร้างของโพรงเรโซเนเตอร์:โดยปกติจะประกอบด้วยกระจกเงาคู่ขนานสองบาน บานหนึ่งเป็นกระจกเงาสะท้อนแสงเต็มที่ เรียกว่ากระจกมองข้างและอีกอันเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วน เรียกว่ากระจกเอาท์พุตโฟตอนสะท้อนไปมาภายในโพรงและถูกขยายโดยโต้ตอบกับตัวกลางที่รับค่าเกน

สภาวะการสั่นพ้อง:การออกแบบโพรงเรโซเนเตอร์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขบางประการ เช่น การทำให้โฟตอนสร้างคลื่นนิ่งภายในโพรง ซึ่งต้องให้ความยาวของโพรงเป็นทวีคูณของความยาวคลื่นเลเซอร์ เฉพาะคลื่นแสงที่เป็นไปตามเงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้นจึงจะขยายได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในโพรง

ลำแสงขาออก:กระจกสะท้อนแสงบางส่วนทำให้ลำแสงที่ขยายออกมาบางส่วนผ่านเข้าไปได้ ทำให้เกิดลำแสงเลเซอร์ที่ส่งออกมา ลำแสงนี้มีทิศทางที่ชัดเจน มีความสอดคล้อง และมีสีเดียว.

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมหรือสนใจเกี่ยวกับเลเซอร์ โปรดติดต่อเราได้ที่:

ลูมิสสปอต

ที่อยู่: อาคาร 4 #, เลขที่ 99 ถนน Furong 3, Xishan Dist. Wuxi, 214000, China

โทรศัพท์: + 86-0510 87381808

มือถือ: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

เว็บไซต์: www.lumispot-tech.com