หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์

หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์ (การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น) นั้นอาศัยปรากฏการณ์การปล่อยแสงแบบกระตุ้น โดยผ่านการออกแบบและโครงสร้างที่แม่นยำ เลเซอร์จะสร้างลำแสงที่มีความสอดคล้องสูง ความเป็นเอกสี และความสว่างสูง เลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ รวมถึงในด้านต่างๆ เช่น การสื่อสาร การแพทย์ การผลิต การวัด และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ประสิทธิภาพสูงและคุณลักษณะการควบคุมที่แม่นยำทำให้เลเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักของเทคโนโลยีหลายๆ อย่าง ด้านล่างนี้คือคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของเลเซอร์และกลไกของเลเซอร์ประเภทต่างๆ

1. การหลั่งน้ำอสุจิแบบกระตุ้น

การปล่อยที่ถูกกระตุ้นการปล่อยแสงแบบกระตุ้น (Stimulated Emission) เป็นหลักการพื้นฐานเบื้องหลังการสร้างเลเซอร์ ซึ่งเสนอโดยไอน์สไตน์เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1917 ปรากฏการณ์นี้อธิบายถึงวิธีการผลิตโฟตอนที่มีความสอดคล้องกันมากขึ้นผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในสถานะกระตุ้น เพื่อให้เข้าใจการปล่อยแสงแบบกระตุ้นได้ดีขึ้น เรามาเริ่มต้นด้วยการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission) กันก่อน:

การปล่อยโดยธรรมชาติในอะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานภายนอก (เช่น พลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสง) และเปลี่ยนสถานะไปเป็นระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเรียกว่าสถานะกระตุ้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นนั้นไม่เสถียรและจะกลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งเรียกว่าสถานะพื้นฐาน หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งเป็นการปล่อยแบบเกิดขึ้นเอง โฟตอนเหล่านี้มีความถี่ เฟส และทิศทางแบบสุ่ม ดังนั้นจึงขาดความสอดคล้อง

การปล่อยตัวแบบกระตุ้นหัวใจสำคัญของการปล่อยแสงแบบกระตุ้นคือ เมื่ออิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นพบกับโฟตอนที่มีพลังงานตรงกับพลังงานการเปลี่ยนสถานะ โฟตอนจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นฐานพร้อมกับปล่อยโฟตอนใหม่ โฟตอนใหม่นี้เหมือนกับโฟตอนเดิมทุกประการ ทั้งในแง่ของความถี่ เฟส และทิศทางการแพร่กระจาย ส่งผลให้เกิดแสงที่สอดคล้องกัน ปรากฏการณ์นี้ช่วยเพิ่มจำนวนและพลังงานของโฟตอนอย่างมาก และเป็นกลไกหลักของเลเซอร์

ผลตอบรับเชิงบวกของการปล่อยแสงที่ถูกกระตุ้นในการออกแบบเลเซอร์ กระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้นจะถูกทำซ้ำหลายครั้ง และผลป้อนกลับเชิงบวกนี้สามารถเพิ่มจำนวนโฟตอนได้อย่างทวีคูณ ด้วยความช่วยเหลือของโพรงเรโซแนนซ์ ความสอดคล้องของโฟตอนจะคงอยู่ และความเข้มของลำแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

2. เพิ่มกำลังขยายปานกลาง

เดอะได้รับปานกลางตัวกลางขยายสัญญาณเป็นวัสดุหลักในเลเซอร์ที่กำหนดการขยายสัญญาณของโฟตอนและกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ มันเป็นพื้นฐานทางกายภาพของการปล่อยแสงแบบกระตุ้น และคุณสมบัติของมันเป็นตัวกำหนดความถี่ ความยาวคลื่น และกำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ ชนิดและลักษณะของตัวกลางขยายสัญญาณส่งผลโดยตรงต่อการใช้งานและประสิทธิภาพของเลเซอร์

กลไกการกระตุ้น: อิเล็กตรอนในตัวกลางขยายสัญญาณจำเป็นต้องถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานที่สูงขึ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก กระบวนการนี้มักทำได้โดยระบบจ่ายพลังงานภายนอก กลไกการกระตุ้นที่พบได้ทั่วไป ได้แก่:

การสูบน้ำด้วยไฟฟ้า: การกระตุ้นอิเล็กตรอนในตัวกลางขยายสัญญาณโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้า

การปั๊มแสง: การกระตุ้นตัวกลางด้วยแหล่งกำเนิดแสง (เช่น หลอดไฟแฟลชหรือเลเซอร์อื่น ๆ)

ระบบระดับพลังงานอิเล็กตรอนในตัวกลางขยายสัญญาณมักจะกระจายตัวอยู่ในระดับพลังงานเฉพาะ ระดับที่พบได้บ่อยที่สุดคือระบบสองระดับและระบบสี่ระดับในระบบสองระดับอย่างง่าย อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนสถานะจากสถานะพื้นฐานไปยังสถานะกระตุ้น แล้วกลับสู่สถานะพื้นฐานอีกครั้งผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ในระบบสี่ระดับ อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนสถานะที่ซับซ้อนกว่าระหว่างระดับพลังงานต่างๆ ซึ่งมักส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น

ประเภทของสื่อที่ได้รับผลกำไร:

ก๊าซเพิ่มปริมาณปานกลางตัวอย่างเช่น เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน (He-Ne) ตัวกลางขยายสัญญาณที่เป็นก๊าซนั้นขึ้นชื่อเรื่องเอาต์พุตที่เสถียรและความยาวคลื่นคงที่ และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานในห้องปฏิบัติการ

ของเหลวเพิ่มปริมาณตัวอย่างเช่น เลเซอร์ชนิดย้อมสี โมเลกุลของสีย้อมมีคุณสมบัติการกระตุ้นที่ดีในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทำให้เหมาะสำหรับเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้

การเพิ่มกำลังแบบแข็งปานกลางตัวอย่างเช่น เลเซอร์ Nd (นีโอดีเมียมเจือในอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต) เลเซอร์เหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงและทรงพลัง และใช้กันอย่างแพร่หลายในงานตัด งานเชื่อม และงานทางการแพทย์ในอุตสาหกรรม

สารกึ่งตัวนำเพิ่มกำลังตัวอย่างเช่น วัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สื่อสารและอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก เช่น ไดโอดเลเซอร์

3. โพรงเรโซเนเตอร์

เดอะโพรงเรโซเนเตอร์เป็นส่วนประกอบโครงสร้างในเลเซอร์ที่ใช้สำหรับการป้อนกลับและการขยายสัญญาณ หน้าที่หลักคือการเพิ่มจำนวนโฟตอนที่ผลิตผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้นโดยการสะท้อนและขยายสัญญาณภายในโพรง ทำให้เกิดเอาต์พุตเลเซอร์ที่แรงและโฟกัสได้ดี

โครงสร้างของโพรงเรโซเนเตอร์โดยปกติแล้วจะประกอบด้วยกระจกเงาขนานสองบาน บานหนึ่งเป็นกระจกเงาสะท้อนแสงเต็มที่ ซึ่งเรียกว่า กระจกเงาสะท้อนแสงกระจกมองหลังและอีกอันหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วน ซึ่งรู้จักกันในชื่อกระจกเอาต์พุตโฟตอนสะท้อนไปมาภายในโพรงและถูกขยายให้แรงขึ้นผ่านการปฏิสัมพันธ์กับตัวกลางขยายสัญญาณ

สภาวะเรโซแนนซ์การออกแบบโพรงเรโซเนเตอร์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขบางประการ เช่น การทำให้แน่ใจว่าโฟตอนก่อตัวเป็นคลื่นนิ่งภายในโพรง ซึ่งหมายความว่าความยาวของโพรงจะต้องเป็นผลคูณของความยาวคลื่นเลเซอร์ เฉพาะคลื่นแสงที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้นจึงจะสามารถขยายได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในโพรง

ลำแสงขาออกกระจกสะท้อนแสงบางส่วนยอมให้ลำแสงที่ขยายแล้วบางส่วนผ่านไปได้ ทำให้เกิดลำแสงเลเซอร์ออกมา ลำแสงนี้มีทิศทางสูง ความสม่ำเสมอ และเป็นแสงสีเดียว.

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมหรือสนใจเกี่ยวกับเลเซอร์ โปรดติดต่อเราได้เลย:

ลูมิสปอต

ที่อยู่: อาคาร 4 เลขที่ 99 ถนนฟู่หรงสาย 3 เขตซีซาน เมืองอู๋ซี 214000 ประเทศจีน

โทร: +86-0510 87381808

โทรศัพท์มือถือ: +86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

เว็บไซต์: www.lumispot-tech.com