Il principio di lavoro di base di un laser (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni) si basa sul fenomeno dell'emissione stimolata della luce. Attraverso una serie di design e strutture precise, i laser generano raggi con alta coerenza, monocromaticità e luminosità. I laser sono ampiamente utilizzati nella tecnologia moderna, anche in campi come comunicazione, medicina, produzione, misurazione e ricerca scientifica. La loro alta efficienza e le caratteristiche di controllo precise le rendono la componente principale di molte tecnologie. Di seguito è una spiegazione dettagliata dei principi di lavoro dei laser e dei meccanismi di diversi tipi di laser.
1. Emissione stimolata
Emissione stimolataè il principio fondamentale alla base della generazione laser, proposto per la prima volta da Einstein nel 1917. Questo fenomeno descrive come i fotoni più coerenti vengono prodotti attraverso l'interazione tra materiale di luce e stato eccitato. Per comprendere meglio l'emissione stimolata, iniziamo con l'emissione spontanea:
Emissione spontanea: In atomi, molecole o altre particelle microscopiche, gli elettroni possono assorbire l'energia esterna (come l'energia elettrica o ottica) e la transizione a un livello di energia più elevato, noto come stato eccitato. Tuttavia, gli elettroni a stato eccitato sono instabili e alla fine torneranno a un livello di energia inferiore, noto come stato fondamentale, dopo un breve periodo. Durante questo processo, l'elettrone rilascia un fotone, che è emissione spontanea. Tali fotoni sono casuali in termini di frequenza, fase e direzione e quindi mancano di coerenza.
Emissione stimolata: La chiave per l'emissione stimolata è che quando un elettrone a stato eccitato incontra un fotone con un'energia che corrisponde alla sua energia di transizione, il fotone può spingere l'elettrone a tornare allo stato fondamentale durante il rilascio di un nuovo fotone. Il nuovo fotone è identico a quello originale in termini di frequenza, fase e direzione di propagazione, con conseguente luce coerente. Questo fenomeno amplifica in modo significativo il numero e l'energia dei fotoni ed è il meccanismo di base dei laser.
Effetto di feedback positivo dell'emissione stimolata: Nella progettazione dei laser, il processo di emissione stimolato viene ripetuto più volte e questo effetto di feedback positivo può aumentare esponenzialmente il numero di fotoni. Con l'aiuto di una cavità risonante, viene mantenuta la coerenza dei fotoni e l'intensità del raggio di luce viene continuamente aumentata.
2. Guadagna medio
ILguadagnare medioè il materiale principale nel laser che determina l'amplificazione dei fotoni e l'output del laser. È la base fisica per l'emissione stimolata e le sue proprietà determinano la frequenza, la lunghezza d'onda e la potenza di uscita del laser. Il tipo e le caratteristiche del mezzo di guadagno influenzano direttamente l'applicazione e le prestazioni del laser.
Meccanismo di eccitazione: Gli elettroni nel mezzo di guadagno devono essere eccitati a un livello di energia più elevato da una fonte di energia esterna. Questo processo è generalmente ottenuto da sistemi di approvvigionamento di energia esterni. I meccanismi di eccitazione comuni includono:
Pompaggio elettrico: Eccitante gli elettroni nel mezzo di guadagno applicando una corrente elettrica.
Pompaggio ottico: Eccitante il mezzo con una sorgente luminosa (come una lampada flash o un altro laser).
Sistema dei livelli di energia: Gli elettroni nel mezzo di guadagno sono in genere distribuiti in livelli di energia specifici. I più comuni sonosistemi a due livelliEsistemi a quattro livelli. In un semplice sistema a due livelli, gli elettroni passano dallo stato fondamentale allo stato eccitato e poi tornano allo stato fondamentale attraverso l'emissione stimolata. In un sistema a quattro livelli, gli elettroni subiscono transizioni più complesse tra diversi livelli di energia, con conseguente maggiore efficienza.
Tipi di guadagno media:
Guadagno di gas medio: Ad esempio, laser elio-neon (he-ne). I media di guadagno del gas sono noti per la loro uscita stabile e la lunghezza d'onda fissa e sono ampiamente utilizzati come fonti di luce standard nei laboratori.
Medio di guadagno liquido: Ad esempio, i laser a tintura. Le molecole di colorante hanno buone proprietà di eccitazione attraverso diverse lunghezze d'onda, rendendole ideali per laser sintonizzabili.
Mezzo di guadagno solido: Ad esempio, ND (granato in alluminio yttio drogato in neodimio). Questi laser sono altamente efficienti e potenti e sono ampiamente utilizzati nel taglio industriale, nella saldatura e nelle applicazioni mediche.
Medio di guadagno semiconduttore: Ad esempio, i materiali di arsenuro di gallio (GAAS) sono ampiamente utilizzati nella comunicazione e nei dispositivi optoelettronici come i diodi laser.
3. Cavità del risonatore
ILCavità del risonatoreè una componente strutturale nel laser utilizzato per feedback e amplificazione. La sua funzione principale è quella di migliorare il numero di fotoni prodotti attraverso l'emissione stimolata riflettendoli e amplificandoli all'interno della cavità, generando così una produzione laser forte e focalizzata.
Struttura della cavità del risonatore: Di solito è costituito da due specchi paralleli. Uno è uno specchio completamente riflettente, noto come ilspecchio posterioree l'altro è uno specchio parzialmente riflettente, noto come ilspecchio di output. I fotoni riflettono avanti e indietro all'interno della cavità e sono amplificati attraverso l'interazione con il mezzo di guadagno.
Condizione di risonanza: Il design della cavità del risonatore deve soddisfare determinate condizioni, come garantire che i fotoni formino onde in piedi all'interno della cavità. Ciò richiede che la lunghezza della cavità sia un multiplo della lunghezza d'onda laser. Solo le onde luminose che soddisfano queste condizioni possono essere efficacemente amplificate all'interno della cavità.
Raggio di output: Lo specchio parzialmente riflettente consente di passare una parte del raggio di luce amplificato, formando il raggio di uscita del laser. Questo raggio ha un'alta direzionalità, coerenza e monocromaticità.
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Tempo post: settembre-18-2024