U principiu di funziunamentu di basa di un laser (Amplificazione di Luce da Emissione Stimulata di Radiazione) hè basatu annantu à u fenomenu di l'emissione di luce stimulata. Per mezu di una seria di disinni precisi è strutture, i laser generanu fasci cù alta coerenza, monocromaticità è luminosità. I laser sò largamente usati in a tecnulugia muderna, cumpresu in campi cum'è a cumunicazione, a medicina, a fabricazione, a misurazione è a ricerca scientifica. A so alta efficienza è e caratteristiche di cuntrollu precisu li facenu u cumpunente core di parechje tecnulugia. Quì sottu hè una spiegazione dettagliata di i principii di travagliu di laser è i miccanismi di diversi tipi di laser.
1. Stimulated Emission
Emissione stimulatahè u principiu fundamentale daretu à a generazione laser, prima pruposta da Einstein in u 1917. Stu fenominu discrivi comu fotoni più coerenti sò pruduciuti attraversu l 'interazzione trà luce è materia-statu excited. Per capisce megliu l'emissione stimulata, cuminciamu cù l'emissione spontanea:
Emissione spontanea: In atomi, molécule, o altre particeddi microscòpichi, l'elettroni ponu assorbe l'energia esterna (cum'è l'energia elettrica o ottica) è a transizione à un livellu energeticu più altu, cunnisciutu com'è statu eccitatu. Tuttavia, l'elettroni di u statu eccitatu sò inestabile è eventualmente tornanu à un livellu energeticu più bassu, cunnisciutu com'è u statu di terra, dopu un cortu periodu. Duranti stu prucessu, l'elettrone libera un fotonu, chì hè emissione spontanea. Tali fotoni sò casuali in termini di frequenza, fase è direzzione, è cusì mancanu a coherenza.
Emissione Stimulata: A chjave per l'emissione stimulata hè chì quandu un elettrone di u statu eccitatu scontra un fotonu cù una energia chì currisponde à a so energia di transizione, u fotonu pò invià l'elettrone à vultà à u statu di terra mentre libera un novu fotonu. U novu fotònu hè identicu à l'uriginale in quantu à a freccia, a fase è a direzzione di propagazione, risultatu in una luce coherente. Stu fenomenu amplifica significativamente u numeru è l'energia di i fotoni è hè u mecanismu core di i laser.
Effettu di Feedback Positivu di Emissioni Stimulate: In u disignu di lasers, u prucessu di emissione stimulatu hè ripetutu parechje volte, è questu effettu di feedback pusitivu pò aumentà in modu esponenziale u numeru di fotoni. Cù l'aiutu di una cavità resonante, a coherenza di i fotoni hè mantinutu, è l'intensità di u fasciu di luce hè continuamente aumentata.
2. Guadagna Medium
Uguadagnà mediuhè u materiale core in u laser chì determina l'amplificazione di i fotoni è l'output laser. Hè a basa fisica per l'emissione stimulata, è e so proprietà determinanu a frequenza, a lunghezza d'onda è a putenza di output di u laser. U tipu è e caratteristiche di u mediu di guadagnu affettanu direttamente l'applicazione è u rendiment di u laser.
Meccanismu di eccitazione: L'elettroni in u mediu di guadagnu deve esse eccitati à un livellu di energia più altu da una fonte di energia esterna. Stu prucessu hè generalmente ottenutu da i sistemi di furnimentu di energia esterna. I meccanismi di eccitazione cumuni includenu:
Pumping Elettricu: Eccitante l'elettroni in u mediu di guadagnu appliendu un currente elettricu.
Pumping otticu: Eccitante u mediu cù una surgente luminosa (cum'è una lampu lampu o un altru laser).
Sistema di Livelli d'Energia: L'elettroni in u mediu di guadagnu sò tipicamente distribuiti in livelli energetichi specifichi. I più cumuni sòsistemi à dui livellièsistemi di quattru livelli. In un sistema simplice di dui livelli, l'elettroni passanu da u statu di terra à u statu eccitatu è poi tornanu à u statu di terra per emissioni stimulate. In un sistema di quattru livelli, l'elettroni passanu transizioni più cumplessi trà i diversi livelli di energia, spessu risultatu in una efficienza più alta.
Tipi di Gain Media:
Guadagna di Gas Medium: Per esempiu, lasers Helium-neon (He-Ne). I media di 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 laboratori.
Liquid Gain Medium: Per esempiu, laser di tintura. E molécule di tintura anu boni proprietà di eccitazione in diverse lunghezze d'onda, rendendu ideali per i laser sintonizzabili.
Mediu di guadagnu solidu: Per esempiu, laser Nd (granate d'aluminiu d'ittriu drogatu cù neodimiu). Sti lasers sò assai efficaci è putenti, è sò largamente usati in taglio industriale, saldatura, è applicazioni medicale.
Semiconductor Gain Medium: Per esempiu, i materiali di l'arsenidu di gallium (GaAs) sò largamente usati in i dispositi di cumunicazione è optoelettronica cum'è diodi laser.
3. Cavità Resonator
Ucavità di risonatorehè un cumpunente strutturale in u laser utilizatu per feedback è amplificazione. A so funzione core hè di rinfurzà u nùmeru di fotoni pruduciuti attraversu l'emissione stimulata, riflettendu è amplificà à l'internu di a cavità, generendu cusì un output laser forte è focalizatu.
Struttura di a Cavità Resonator: Hè generalmente custituitu da dui specchi paralleli. Unu hè un specchiu cumpletamente riflettente, cunnisciutu cum'è uspecchiu posteriore, è l'altru hè un specchiu parzialmente riflettente, cunnisciutu cum'è uspecchiu di output. I fotoni riflettenu avanti è avanti in a cavità è sò amplificati per l'interazzione cù u mediu di guadagnu.
Cundizione di risonanza: U disignu di a cavità di resonatore deve risponde à certe cundizioni, cum'è per assicurà chì i photons formanu onde stanziali in a cavità. Questu richiede chì a lunghezza di a cavità sia un multiplu di a lunghezza d'onda laser. Solu l'onda di luce chì risponde à queste cundizioni ponu esse amplificate in modu efficace in a cavità.
Fascio di Output: U specchiu parzialmente riflettente permette à una parte di u fasciu di luce amplificata per passà, furmendu u fasciu di output di u laser. Stu fasciu hà alta direzzione, coherenza è monocromaticità.
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Tempu di post: 18-Sep-2024