Принцип работы механизма лазера: все, что вам нужно знать

Лазер – это устройство, используемое для возбуждения и усиления света с помощью процесса стимулированного излучения. Принцип работы механизма лазера основан на трёх основных этапах: возбуждение, усиление и режим осцилляции.

Первый этап – возбуждение – означает подачу энергии в активную среду лазера, которая может быть представлена в виде кристалла, газа или полупроводника. Возбуждающая энергия может быть достигнута различными способами, например, с помощью электрического разряда через газовую смесь или путем оптического возбуждения с помощью флэш-ламп.

Второй этап – усиление – заключается в увеличении числа фотонов в активной среде лазера. Фотоны, сформированные на предыдущем этапе, стимулируют излучение других фотонов при их прохождении через активную среду. В результате такого стимулированного излучения, число фотонов увеличивается экспоненциально, образуя световую волну, которая представляет собой усиленный световой пучок.

Третий этап – режим осцилляции – представляет собой процесс возникновения светового пучка с постоянной частотой и фазой. Для этого требуется наличие резонатора, который обеспечивает положительную обратную связь для усиленного светового пучка. Резонатор состоит из двух зеркал – одно зеркало полупрозрачное, которое пропускает некоторую долю света, а другое зеркало полностью отражает световой пучок. Когда условие обратной связи выполнено, возникает режим осцилляции, и лазер начинает излучать монохроматическое световое излучение.

Основы работы лазера: этапы и принцип действия

Основными этапами работы лазера являются:

  1. Накачка активной среды: активная среда лазера состоит из атомов или молекул, которые способны заполнять энергетические уровни. Вначале активная среда находится в основном состоянии, где атомы или молекулы находятся с минимальной энергией. Чтобы активная среда перешла в возбужденное состояние, необходимо внести в нее энергию, так называемую накачку.
  2. Усиление излучения: в процессе усиления светового излучения происходит переход активных атомов или молекул из возбужденного состояния на более высокие энергетические уровни. Это происходит благодаря процессу стимулированной эмиссии, который возникает при взаимодействии световых фотонов с возбужденными атомами. Получается усиленное когерентное излучение.
  3. Выброс излучения: в результате стимулированной эмиссии атом или молекула возвращается в основное состояние, излучая энергию в виде фотона с той же частотой и фазой, что и падающий фотон. Таким образом, происходит выброс излучения, состоящего из фотонов согласованной длины волны и фазой.

Затем усиленное и выброшенное излучение проходит через резонатор, состоящий из зеркал, которые отражают световые фотоны, создавая тем самым замкнутый цикл и усиливая излучение. В итоге, происходит генерация лазерного излучения.

Важно отметить, что работа лазера основана на принципах квантовой физики, таких как дискретность энергетических уровней, возможность перехода атомов и молекул между этими уровнями с излучением фотона и использование обратной связи для усиления и генерации светового излучения.

Возбуждение активной среды

Процесс возбуждения активной среды начинается с поступления энергии, которая может быть предоставлена различными способами. Одним из наиболее распространенных способов является применение электрического разряда. В этом случае, активная среда находится внутри высоковольтной камеры, где подается электрический ток, вызывающий возбуждение молекул или атомов.

Возбужденные атомы или молекулы переходят на более высокие энергетические уровни. Возникает так называемая «инверсная заселенность», когда количество возбужденных состояний превышает количество атомов или молекул в основном состоянии.

В результате инверсной заселенности, при попадании фотонов на активную среду, большое количество из них может вызвать стимулированное излучение, при котором между фотонами передаются возбужденные энергии. Этот процесс приводит к эмиссии фотонов одинаковой частоты, в то время, как при спонтанном излучении фотоны излучаются в случайных направлениях и частотах.

Таким образом, возбуждение активной среды является первым шагом в создании лазера и создает предпосылки для последующих этапов формирования и усиления светового излучения.

Усиление излучения в резонаторе

Процесс усиления начинается с помещения активной среды в резонатор. Активная среда представляет собой вещество, способное переходить из одного энергетического состояния в другое под воздействием энергии внешнего источника. Например, активной средой может служить кристалл, газ или полупроводник.

Для возбуждения активной среды применяется внешний источник энергии, например, лампа или полупроводниковый диод. Когда энергия от источника попадает в активную среду, часть ее поглощается и переходит в возбужденное состояние. Энергия в возбужденном состоянии активной среды переходит в оставшиеся атомы, вызывая их переход в возбужденное состояние. Таким образом, происходит наращивание числа атомов в возбужденном состоянии.

При наличии частично отражающего зеркала в резонаторе возникает обратная связь, и происходит усиление излучения. Переходя из возбужденного состояния в основное, атомы испускают свет с определенной длиной волны. Часть этого света попадает на частично отражающее зеркало и отражается обратно в активную среду. В результате происходит взаимодействие световых волн, что приводит к их интерференции и усилению излучения.

Усиленное излучение проходит через высокопрозрачное выходное зеркало и покидает резонатор в виде лазерного луча. С помощью дополнительных оптических элементов лазерный луч может быть сфокусирован или отражен в нужном направлении.

Оцените статью