Principe en toepassing van laser
Hoe de laser werkt
Een laser is een apparaat dat laserlicht uitzendt. Afhankelijk van het werkmedium kan de laser worden onderverdeeld in vier categorieën: gaslaser, vaste laser, halfgeleiderlaser en kleurstoflaser. Onlangs zijn vrije elektronenlasers ontwikkeld. Krachtige lasers hebben meestal een pulserende output.
Behalve voor vrije-elektronenlasers, zijn de basiswerkprincipes van verschillende lasers hetzelfde. De onmisbare voorwaarde voor het genereren van laserlicht is dat de populatie-inversie en -versterking groter zijn dan het verlies, dus de onmisbare componenten van het apparaat zijn de excitatie- (of pompende) bron en het werkmedium met het metastabiele energieniveau. Excitatie is de excitatie van het werkmedium om de aangeslagen toestand te prikkelen, waardoor voorwaarden worden geschapen voor het bereiken en behouden van de populatie-inversie. De stimuleringsmethoden omvatten optische excitatie, elektrische excitatie, chemische excitatie en excitatie van kernenergie.
Het metastabiele energieniveau van het werkmedium is zodanig dat de gestimuleerde straling domineert, waardoor optische versterking wordt bereikt. Een veelvoorkomend onderdeel van een laser is een resonantieholte, maar de resonantieholte (zie optische holte) is geen onmisbaar onderdeel. De resonantieholte zorgt ervoor dat de fotonen in de holte een consistente frequentie, fase en bewegingsrichting hebben, waardoor de laser een goede directionaliteit en coherentie heeft. Bovendien kan het de lengte van de werkende substantie goed verkorten, en kan het ook de modus van de gegenereerde laser aanpassen door de lengte van de holte te veranderen (dwz modusselectie), zodat de laser over het algemeen een resonerende holte heeft.
Drie componenten van de laser
Ten eerste, de werkende substantie
In de kern van de laser kunnen alleen stoffen die energieniveauovergangen tot stand brengen, worden gebruikt als werkstoffen voor de laser.
Sten tweede, stimulerende energie
Zijn rol is om de werkende substantie van energie te voorzien, het atoom wordt geëxciteerd van het lage energieniveau naar de externe energie van het hoge energieniveau. Gewoonlijk zijn er lichtenergie, thermische energie, elektrische energie, chemische energie enzovoort.
Ten derde, de rol van optische holte:
Ten eerste wordt de gestimuleerde straling van de werksubstantie continu uitgevoerd;
De tweede is om het foton constant te versnellen;
De derde is om de richting van de laseroutput te beperken.
De eenvoudigste optische holte bestaat uit twee onderling parallelle spiegels die aan de uiteinden van de HeNe-laser zijn geplaatst. Wanneer sommige deuteriumatomen overgaan tussen twee energieniveaus die deeltjesinversie bereiken, en fotonen uitzenden parallel aan de richting van de laser, zullen deze fotonen heen en weer reflecteren tussen de twee spiegels, waardoor ze constant gestimuleerde straling veroorzaken. Een zeer sterke laser wordt zeer snel geproduceerd.
Het zuivere licht en het stabiele spectrum van de laser kan op vele manieren worden toegepast.
Robijnrode laser
De originele laser werd gewreven door een heldere flitslamp, en de geproduceerde laser was een" gepulseerde laser" in plaats van een continu stabiele straal. De kwaliteit van het licht dat door deze laser wordt geproduceerd, verschilt wezenlijk van de laser die wordt geproduceerd door de laserdiode die we tegenwoordig gebruiken. Deze intense lichtemissie, die slechts een paar nanoseconden duurt, is ideaal voor het vastleggen van objecten die gemakkelijk te verplaatsen zijn, zoals portretten of holografische portretten. Het eerste laserportret werd geboren in 1967. Ruby-lasers vereisen dure robijnen en kunnen alleen korte uitbarstingen van licht produceren.
Helium laser
In 1960 ontwierpen wetenschappers Ali Javan, William R. Brennet Jr. en Donald Herriot de HeNe-laser. Dit is de eerste gaslaser die veel wordt gebruikt bij holografische fotografen.
Twee voordelen: 1. Produceer continue laseroutput; 2. Geen flitslamp nodig om licht te exciteren, maar gebruik elektrisch excitatiegas.
Laserdiode
Laserdiode is een van de meest gebruikte lasers. Het fenomeen van spontane recombinatie van elektronen en gaten aan beide zijden van de PN-overgang van een diode wordt spontane emissie genoemd. Wanneer de fotonen die door spontane emissie worden gegenereerd door de halfgeleider gaan, kunnen ze, zodra ze door de geëmitteerde elektron-gatparen zijn gegaan, worden geëxciteerd om te recombineren om nieuwe fotonen te produceren, die de geëxciteerde dragers ertoe aanzetten om te recombineren en nieuwe fotonen uit te zenden. Het fenomeen wordt gestimuleerde straling genoemd.
Als de injectiestroom groot genoeg is, wordt een draaggolfverdeling gevormd die tegengesteld is aan de thermische evenwichtstoestand, dat wil zeggen het populatiegetal wordt omgekeerd. Wanneer de dragers in de actieve laag zich in een groot aantal omkeringen bevinden, genereert een kleine hoeveelheid spontaan gegenereerde fotonen inductieve straling als gevolg van wederkerige reflectie aan beide uiteinden van de resonantieholte, resulterend in selectieve terugkoppeling van de frequentieselectieve resonantie, of versterking voor een bepaalde frequentie. Wanneer de versterking groter is dan het absorptieverlies, kan een coherent licht met een goede spectraallijn, de laser, worden uitgezonden vanaf de PN-overgang. De uitvinding van laserdiodes maakt de snelle toepassing van lasertoepassingen mogelijk, verschillende soorten informatiescanning, glasvezelcommunicatie, laserafstandsbediening, laserradar, laserdiscs, laserpointers, supermarktcollecties, enz., En er worden continu verschillende toepassingen ontwikkeld en gepopulariseerd. .