اصل کار اساسی لیزر (تقویت نور توسط گسیل القایی تابش) بر اساس پدیده گسیل القایی نور است. لیزرها از طریق مجموعه‌ای از طراحی‌ها و ساختارهای دقیق، پرتوهایی با انسجام بالا، تک‌رنگی و روشنایی تولید می‌کنند. لیزرها به طور گسترده در فناوری مدرن، از جمله در زمینه‌هایی مانند ارتباطات، پزشکی، تولید، اندازه‌گیری و تحقیقات علمی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. راندمان بالا و ویژگی‌های کنترل دقیق آنها، آنها را به جزء اصلی بسیاری از فناوری‌ها تبدیل کرده است. در زیر توضیح مفصلی از اصول کار لیزرها و مکانیسم‌های انواع مختلف لیزرها ارائه شده است.
۱. گسیل القایی
گسیل القاییاصل اساسی تولید لیزر است که اولین بار توسط انیشتین در سال ۱۹۱۷ مطرح شد. این پدیده چگونگی تولید فوتون‌های همدوس‌تر از طریق برهمکنش بین نور و ماده‌ی حالت برانگیخته را توصیف می‌کند. برای درک بهتر گسیل القایی، بیایید با گسیل خودبه‌خودی شروع کنیم:
انتشار خود به خودی: در اتم‌ها، مولکول‌ها یا سایر ذرات میکروسکوپی، الکترون‌ها می‌توانند انرژی خارجی (مانند انرژی الکتریکی یا نوری) را جذب کرده و به سطح انرژی بالاتری، که به عنوان حالت برانگیخته شناخته می‌شود، منتقل شوند. با این حال، الکترون‌های حالت برانگیخته ناپایدار هستند و در نهایت پس از مدت کوتاهی به سطح انرژی پایین‌تر، که به عنوان حالت پایه شناخته می‌شود، باز می‌گردند. در طول این فرآیند، الکترون یک فوتون آزاد می‌کند که همان گسیل خودبه‌خودی است. چنین فوتون‌هایی از نظر فرکانس، فاز و جهت تصادفی هستند و بنابراین فاقد همدوسی می‌باشند.
گسیل القایینکته کلیدی در گسیل القایی این است که وقتی یک الکترون در حالت برانگیخته با فوتونی با انرژی منطبق با انرژی گذار خود مواجه می‌شود، فوتون می‌تواند الکترون را به حالت پایه بازگرداند و در عین حال یک فوتون جدید آزاد کند. فوتون جدید از نظر فرکانس، فاز و جهت انتشار با فوتون اصلی یکسان است و در نتیجه نور همدوس ایجاد می‌کند. این پدیده تعداد و انرژی فوتون‌ها را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و مکانیسم اصلی لیزرها است.
اثر بازخورد مثبت گسیل القایی: در طراحی لیزرها، فرآیند گسیل القایی چندین بار تکرار می‌شود و این اثر بازخورد مثبت می‌تواند تعداد فوتون‌ها را به صورت تصاعدی افزایش دهد. با کمک یک حفره رزونانس، انسجام فوتون‌ها حفظ می‌شود و شدت پرتو نور به طور مداوم افزایش می‌یابد.
۲. افزایش متوسط
متوسط به دست آوردنماده‌ی اصلی در لیزر است که تقویت فوتون‌ها و خروجی لیزر را تعیین می‌کند. این ماده، اساس فیزیکی گسیل القایی است و خواص آن، فرکانس، طول موج و توان خروجی لیزر را تعیین می‌کند. نوع و ویژگی‌های محیط تقویت، مستقیماً بر کاربرد و عملکرد لیزر تأثیر می‌گذارد.
مکانیسم تحریکالکترون‌های موجود در محیط تقویت باید توسط یک منبع انرژی خارجی به سطح انرژی بالاتری برانگیخته شوند. این فرآیند معمولاً توسط سیستم‌های تأمین انرژی خارجی انجام می‌شود. مکانیسم‌های برانگیختگی رایج عبارتند از:
پمپاژ الکتریکی: تحریک الکترون‌ها در محیط تقویت با اعمال جریان الکتریکی.
پمپاژ نوریتحریک محیط با یک منبع نور (مانند لامپ فلاش یا لیزر دیگر).
سیستم سطوح انرژیالکترون‌ها در محیط تقویت معمولاً در سطوح انرژی خاصی توزیع می‌شوند. رایج‌ترین آنها عبارتند ازسیستم‌های دو سطحیوسیستم‌های چهار سطحیدر یک سیستم دو ترازی ساده، الکترون‌ها از حالت پایه به حالت برانگیخته منتقل می‌شوند و سپس از طریق گسیل القایی به حالت پایه بازمی‌گردند. در یک سیستم چهار ترازی، الکترون‌ها دستخوش گذارهای پیچیده‌تری بین سطوح انرژی مختلف می‌شوند که اغلب منجر به راندمان بالاتر می‌شود.
انواع رسانه‌های جذب:
محیط افزایش گاز: برای مثال، لیزرهای هلیوم-نئون (He-Ne). محیط‌های بهره گازی به دلیل خروجی پایدار و طول موج ثابتشان شناخته شده‌اند و به طور گسترده به عنوان منابع نور استاندارد در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
محیط کشت مایعبرای مثال، لیزرهای رنگی. مولکول‌های رنگی خواص تحریک خوبی در طول موج‌های مختلف دارند که آنها را برای لیزرهای قابل تنظیم ایده‌آل می‌کند.
محیط کشت جامدبرای مثال، لیزرهای Nd (گارنت ایتریم آلومینیوم آلاییده با نئودیمیوم). این لیزرها بسیار کارآمد و قدرتمند هستند و به طور گسترده در برش صنعتی، جوشکاری و کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند.
محیط بهره نیمه‌هادیبرای مثال، مواد گالیوم آرسنید (GaAs) به طور گسترده در دستگاه‌های ارتباطی و اپتوالکترونیکی مانند دیودهای لیزری استفاده می‌شوند.
۳. حفره رزوناتور
حفره تشدید کنندهیک جزء ساختاری در لیزر است که برای بازخورد و تقویت استفاده می‌شود. عملکرد اصلی آن افزایش تعداد فوتون‌های تولید شده از طریق گسیل القایی با بازتاب و تقویت آنها در داخل حفره است، در نتیجه یک خروجی لیزر قوی و متمرکز ایجاد می‌کند.
ساختار حفره رزوناتور: معمولاً از دو آینه موازی تشکیل شده است. یکی از آنها آینه کاملاً بازتابنده است که به عنوانآینه عقبو دیگری یک آینه نیمه بازتابنده است که به عنوانآینه خروجیفوتون‌ها درون حفره به جلو و عقب بازتاب می‌شوند و از طریق برهمکنش با محیط تقویت، تقویت می‌شوند.
شرایط رزونانس: طراحی حفره تشدیدگر باید شرایط خاصی را برآورده کند، مانند اطمینان از اینکه فوتون‌ها امواج ایستاده را در داخل حفره تشکیل می‌دهند. این امر مستلزم آن است که طول حفره مضربی از طول موج لیزر باشد. فقط امواج نوری که این شرایط را برآورده می‌کنند، می‌توانند به طور مؤثر در داخل حفره تقویت شوند.
پرتو خروجیآینه نیمه بازتابنده اجازه می‌دهد بخشی از پرتو نور تقویت‌شده عبور کند و پرتو خروجی لیزر را تشکیل دهد. این پرتو جهت‌گیری، انسجام و تک‌رنگی بالایی دارد..
اگر مایل به کسب اطلاعات بیشتر یا آشنایی با لیزر هستید، لطفاً با ما تماس بگیرید:
لومیس‌پات
آدرس: ساختمان شماره ۴، پلاک ۹۹ جاده سوم فورونگ، ناحیه شیشان، ووشی، ۲۱۴۰۰۰، چین
تلفن: +86-0510 87381808.
موبایل: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
وب‌سایت: www.lumispot-tech.com
زمان ارسال: ۱۸ سپتامبر ۲۰۲۴