Принцип роботи лазера

Принцип роботи лазерів заснований на вимушеному випромінюванні, концепції, вперше запропонованій Ейнштейном на початку 20 століття. Основний процес полягає в наступному:

- Електронний перехід: атоми або молекули в робочому середовищі отримують енергію під впливом джерела накачування (наприклад, електричної енергії, енергії світла тощо), переходячи з низького енергетичного рівня на високий, переходячи у збуджений стан. Оскільки високий енергетичний рівень нестабільний, атоми або молекули спонтанно переходять назад на низький енергетичний рівень, вивільняючи фотони в процесі.

- Відбиття в резонансній порожнині: ці фотони відбиваються вперед і назад усередині резонансної порожнини, взаємодіючи з іншими атомами або молекулами в збудженому стані в робочому середовищі, викликаючи більш стимульоване випромінювання. Це призводить до різкого збільшення кількості фотонів, що призводить до високоінтенсивного, високомонохроматичного та надзвичайно спрямованого лазерного світла.

Лазерні компоненти

Лазер в основному складається з трьох частин: робочого середовища, джерела накачування та резонансної порожнини.

- Робоче середовище: це основа лазерної генерації. Він складається з активного середовища, яке забезпечує інверсію населення, наприклад рубіну, неодимового скла або вуглекислого газу.

- Джерело насоса: забезпечує енергію робочого середовища, викликаючи стимульоване випромінювання. Загальні методи включають електричне збудження та оптичне збудження.

- Резонансна порожнина: складається з дзеркал повного внутрішнього відбиття та дзеркал часткового внутрішнього відбиття, вона забезпечує зворотний зв’язок і коливальне середовище для фотонів, дозволяючи їм багато разів подорожувати туди-сюди всередині порожнини, посилюючи ефект стимульованого випромінювання та, зрештою, формуючи лазерний вихід.

Різниця між одномодовим і багатомодовим лазерами

Основна відмінність одномодових від багатомодових лазерів полягає в кількості мод у вихідному пучку.

- Одномодовий лазер: підтримує лише один режим поширення світла. Він має високу якість променя, хорошу спрямованість і когерентність, стандартну круглу пляму променя і малий кут розбіжності. Він підходить для високоточних застосувань, таких як лазерні інтерферометри та волоконно-оптичний зв'язок.

- Багаторежимний лазер: підтримує кілька режимів поширення світла. Він має великий кут розбіжності вихідного променя, складну форму променя та розподіл інтенсивності, а також меншу довжину когерентності, але високу вихідну потужність. Він підходить для менш вимогливих застосувань, таких як обробка матеріалів і лазерне освітлення.

Лазери – промені Гауса

Лазери називаються гаусовими променями, тому що їх розподіл інтенсивності в поперечному перерізі приблизно відповідає функції Гауса, тобто інтенсивність висока в центрі та поступово зменшується до країв, демонструючи криву у формі дзвона.

Ця характеристика розподілу виникає через самовідтворюваність лазера під час його формування в резонансній порожнині; навіть після дифракції та поширення його розподіл інтенсивності зберігає форму Гауса. Промені Гауса мають відмінні характеристики фокусування та монохроматичність, ефективно зменшуючи конкуренцію мод і покращуючи якість променя, що робить їх широко використовуваними в оптичних системах, лазерній обробці та інших областях.

Класифікація лазерів Лазери можна класифікувати різними способами, одним із яких є робоче середовище:

- Твердотільні лазери: вони використовують тверді матеріали як робоче середовище, наприклад лазери на алюмінієвому гранаті з неодимом (Nd:YAG). Ці лазери зазвичай мають високу вихідну потужність і добру стабільність і широко використовуються в промисловій обробці, медицині та наукових дослідженнях.

- Газові лазери: вони використовують гази як робоче середовище, наприклад, гелій-неонові лазери (He-Ne) і лазери на діоксиді вуглецю (CO2). Газові лазери мають широке застосування у видимій та інфрачервоній областях спектру.

- Рідинні лазери: також відомі як лазери на барвниках, вони використовують розчини органічних барвників як робоче середовище. Можливість регулювання довжини хвилі дає їм унікальні переваги в наукових дослідженнях і біомедицині.

- Напівпровідникові лазери: вони використовують напівпровідникові матеріали як робоче середовище, наприклад лазерні діоди. Ці лазери пропонують переваги в мініатюризації та інтеграції, а також широко використовуються в оптичному зв’язку, лазерному друку та інших сферах.

- Лазери на вільних електронах: вони використовують високошвидкісні пучки вільних електронів як робоче середовище. Вони пропонують широкий діапазон вихідної потужності та довжин хвиль, що робить їх придатними для фізики високих енергій та рентгенівської спектроскопії.