U principiu di funziunamentu basicu di un laser (Amplificazione di Luce per Emissione Stimulata di Radiazione) hè basatu annantu à u fenomenu di l'emissione stimulata di luce. Attraversu una seria di disinni è strutture precise, i laser generanu fasci cù alta cuerenza, monocromaticità è luminosità. I laser sò largamente usati in a tecnulugia muderna, cumpresi in campi cum'è a cumunicazione, a medicina, a fabricazione, a misurazione è a ricerca scientifica. A so alta efficienza è e so caratteristiche di cuntrollu precise li rendenu u cumpunente principale di parechje tecnulugie. Quì sottu hè una spiegazione dettagliata di i principii di funziunamentu di i laser è di i meccanismi di i sfarenti tipi di laser.
1. Emissione Stimulata
Emissione stimulatahè u principiu fundamentale daretu à a generazione laser, prupostu per a prima volta da Einstein in u 1917. Stu fenomenu descrive cumu i fotoni più coerenti sò prudutti per via di l'interazione trà a luce è a materia in statu eccitatu. Per capisce megliu l'emissione stimulata, cuminciamu cù l'emissione spontanea:
Emissione SpontaneeIn l'atomi, e molecule, o altre particelle microscopiche, l'elettroni ponu assorbe l'energia esterna (cum'è l'energia elettrica o ottica) è passà à un livellu d'energia più altu, cunnisciutu cum'è statu eccitatu. Tuttavia, l'elettroni di statu eccitatu sò instabili è torneranu eventualmente à un livellu d'energia più bassu, cunnisciutu cum'è statu fundamentale, dopu à un cortu periodu. Durante questu prucessu, l'elettrone libera un fotone, chì hè emissione spontanea. Tali fotoni sò aleatorii in termini di frequenza, fase è direzzione, è dunque mancanu di cuerenza.
Emissione StimulataA chjave di l'emissione stimulata hè chì quandu un elettrone in statu eccitatu scontra un fotone cù una energia chì currisponde à a so energia di transizione, u fotone pò spinghje l'elettrone à vultà à u statu fundamentale mentre libera un novu fotone. U novu fotone hè identicu à quellu originale in termini di frequenza, fase è direzzione di propagazione, risultendu in una luce coerente. Stu fenomenu amplifica significativamente u numeru è l'energia di i fotoni è hè u mecanismu principale di i laser.
Effettu di feedback pusitivu di l'emissione stimulataIn a cuncepzione di i laser, u prucessu di emissione stimulata hè ripetutu parechje volte, è questu effettu di feedback pusitivu pò aumentà esponenzialmente u numeru di fotoni. Cù l'aiutu di una cavità risonante, a cuerenza di i fotoni hè mantenuta, è l'intensità di u fasciu di luce hè aumentata continuamente.
2. Guadagnu Mediu
Uguadagnu mediuhè u materiale principale in u laser chì determina l'amplificazione di i fotoni è a pruduzzione laser. Hè a basa fisica per l'emissione stimulata, è e so proprietà determinanu a frequenza, a lunghezza d'onda è a putenza di pruduzzione di u laser. U tipu è e caratteristiche di u mezu di guadagnu influenzanu direttamente l'applicazione è e prestazioni di u laser.
Meccanismu d'eccitazioneL'elettroni in u mezu di guadagnu anu bisognu di esse eccitati à un livellu d'energia più altu da una fonte d'energia esterna. Stu prucessu hè generalmente ottenutu da sistemi di furnimentu d'energia esterni. I meccanismi d'eccitazione cumuni includenu:
Pompaggio elettricuEccità l'elettroni in u mediu di guadagnu applicendu una corrente elettrica.
Pompaggio OtticuEccità u mediu cù una fonte luminosa (cum'è una lampada flash o un altru laser).
Sistema di Livelli d'EnergiaL'elettroni in u mezu di guadagnu sò tipicamente distribuiti in livelli d'energia specifici. I più cumuni sòsistemi à dui livellièsistemi à quattru livelliIn un sistema simplice à dui livelli, l'elettroni passanu da u statu fundamentale à u statu eccitatu è dopu tornanu à u statu fundamentale per via di l'emissione stimulata. In un sistema à quattru livelli, l'elettroni subiscenu transizioni più cumplesse trà diversi livelli d'energia, chì spessu risultanu in una maggiore efficienza.
Tipi di media di guadagnu:
Guadagnu di Gasu MediuPer esempiu, i laser eliu-neon (He-Ne). I mezi à guadagnu di gas sò cunnisciuti per a so pruduzzione stabile è a lunghezza d'onda fissa, è sò largamente usati cum'è fonti di luce standard in i laboratori.
Mediu di guadagnu liquiduPer esempiu, laser à coloranti. E molecule di colorante anu bone proprietà d'eccitazione à diverse lunghezze d'onda, ciò chì li rende ideali per i laser sintonizzabili.
Guadagnu Solidu MediuPer esempiu, laser Nd (granatu d'itriu è aluminiu drogatu cù neodimio). Quessi laser sò assai efficienti è putenti, è sò largamente usati in u tagliu industriale, a saldatura è l'applicazioni mediche.
Mediu di guadagnu di semiconduttorePer esempiu, i materiali di arseniuru di galliu (GaAs) sò largamente usati in i dispositivi di cumunicazione è optoelettronici cum'è i diodi laser.
3. Cavità di u risonatore
Ucavità di risonatorehè un cumpunente strutturale in u laser utilizatu per u feedback è l'amplificazione. A so funzione principale hè di aumentà u numeru di fotoni prudutti per via di l'emissione stimulata riflettenduli è amplificenduli in a cavità, generendu cusì una pruduzzione laser forte è focalizzata.
Struttura di a Cavità di u RisonatoreDi solitu si compone di dui specchi paralleli. Unu hè un specchiu cumpletamente riflettente, cunnisciutu cum'èspecchiu retrovisore, è l'altru hè un specchiu parzialmente riflettente, cunnisciutu cum'è uspecchiu di uscitaI fotoni si riflettenu avanti è indietro in a cavità è sò amplificati per via di l'interazione cù u mezu di guadagnu.
Cundizione di risonanzaA cuncepzione di a cavità di u risonatore deve risponde à certe cundizioni, cum'è assicurà chì i fotoni formanu onde stazionarie in a cavità. Questu richiede chì a lunghezza di a cavità sia un multiplu di a lunghezza d'onda di u laser. Solu l'onde luminose chì rispondenu à queste cundizioni ponu esse amplificate efficacemente in a cavità.
Fasciu di uscitaU specchiu parzialmente riflettente permette à una parte di u fasciu di luce amplificatu di passà, furmendu u fasciu di uscita di u laser. Stu fasciu hà alta direzionalità, cuerenza è monocromaticità..
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Data di publicazione: 18 settembre 2024