Laserprincipe

Het principe van lasers is gebaseerd op gestimuleerde emissie, een concept dat voor het eerst werd voorgesteld door Einstein in het begin van de 20e eeuw. Het belangrijkste proces is als volgt:

- Elektronentransitie: Atomen of moleculen in het werkmedium winnen energie onder invloed van een pompbron (zoals elektrische energie, lichtenergie, enz.), waarbij ze overgaan van een laag energieniveau naar een hoog energieniveau en in een aangeslagen toestand terechtkomen. Omdat het hoge energieniveau onstabiel is, gaan de atomen of moleculen spontaan terug naar het lage energieniveau, waarbij fotonen vrijkomen.

- Resonante holtereflectie: deze fotonen reflecteren heen en weer binnen de resonante holte, waarbij ze in wisselwerking staan ​​met andere atomen of moleculen in de aangeslagen toestand in het werkmedium, waardoor een meer gestimuleerde emissie ontstaat. Dit zorgt ervoor dat het aantal fotonen abrupt toeneemt, wat resulteert in laserlicht met hoge intensiteit, zeer monochromatisch en extreem gericht.

Lasercomponenten

Laser bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: het werkmedium, de pompbron en de resonantieholte.

- Werkmedium: dit is de basis van lasergeneratie. Het is samengesteld uit een actief medium dat populatie-inversie mogelijk maakt, zoals robijn, neodymiumglas of kooldioxidegas.

- Pompbron: levert energie aan het werkmedium en induceert gestimuleerde emissie. Gebruikelijke methoden omvatten elektrische excitatie en optische excitatie.

- Resonante holte: samengesteld uit totale interne reflectiespiegels en gedeeltelijke interne reflectiespiegels, biedt het feedback en een oscillerende omgeving voor fotonen, waardoor ze meerdere keren heen en weer kunnen reizen binnen de holte, waardoor het gestimuleerde emissie-effect wordt versterkt en uiteindelijk laseruitvoer wordt gevormd.

Verschil tussen single-mode en multi-mode lasers

Het belangrijkste verschil tussen single-mode en multi-mode lasers ligt in het aantal modi in de uitgangsbundel.

- Single-mode laser: ondersteunt slechts één modus voor lichtvoortplanting. Het heeft een hoge straalkwaliteit, goede richtingsgevoeligheid en coherentie, een standaard cirkelvormige straalvlek en een kleine divergentiehoek. Het is geschikt voor toepassingen met hoge precisie, zoals laserinterferometers en glasvezelcommunicatie.

- Multi-mode laser: ondersteunt meerdere vormen van lichtvoortplanting. Het heeft een grote divergentiehoek van de uitgangsbundel, een complexe straalvorm en intensiteitsverdeling, en een kortere coherentielengte, maar een hoog uitgangsvermogen. Het is geschikt voor minder veeleisende toepassingen zoals materiaalverwerking en laserverlichting.

Lasers – Gaussiaanse stralen

Lasers worden Gaussiaanse bundels genoemd omdat hun intensiteitsverdeling over hun dwarsdoorsnede ongeveer overeenkomt met een Gaussiaanse functie, wat betekent dat de intensiteit hoog is in het midden en geleidelijk afneemt naar de randen toe, waardoor een klokvormige curve ontstaat.

Deze verdelingskarakteristiek komt voort uit de zelfreproduceerbaarheid van de laser tijdens zijn vorming in de resonantieholte; zelfs na diffractie en voortplanting behoudt de intensiteitsverdeling ervan een Gaussiaanse vorm. Gaussiaanse bundels beschikken over uitstekende scherpstelprestaties en monochromaticiteit, waardoor de modusconcurrentie effectief wordt verminderd en de bundelkwaliteit wordt verbeterd, waardoor ze op grote schaal worden gebruikt in het ontwerp van optische systemen, laserverwerking en andere gebieden.

Laserclassificatie Lasers kunnen op vele manieren worden geclassificeerd, waaronder op basis van het werkmedium:

- Solid-state lasers: deze gebruiken vaste materialen als werkmedium, zoals neodymium-gedoteerde aluminiumgranaatlasers (Nd:YAG). Deze lasers hebben doorgaans een hoog vermogen en een goede stabiliteit, en worden veel gebruikt in industriële verwerking, geneeskunde en wetenschappelijk onderzoek.

- Gaslasers: deze gebruiken gassen als werkmedium, zoals helium-neonlasers (He-Ne) en koolstofdioxidelasers (CO2). Gaslasers hebben brede toepassingen in de zichtbare en infrarode spectrale gebieden.

- Vloeistoflasers: Ook bekend als kleurstoflasers, deze gebruiken organische kleurstofoplossingen als werkmedium. Hun afstembaarheid van de golflengte geeft hen unieke voordelen in wetenschappelijk onderzoek en biogeneeskunde.

- Halfgeleiderlasers: deze gebruiken halfgeleidermaterialen als werkmedium, zoals laserdiodes. Deze lasers bieden voordelen op het gebied van miniaturisatie en integratie, en worden veel gebruikt in optische communicatie, laserprinten en andere gebieden.

- Vrije-elektronenlasers: deze gebruiken snelle vrije elektronenbundels als werkmedium. Ze bieden een breed scala aan uitgangsvermogen en golflengten, waardoor ze geschikt zijn voor hoge-energiefysica en röntgenspectroscopie.