레이저의 기본 작동 원리 (방사선의 자극 된 방출에 의한 광 증폭)는 자극 된 빛의 방출 현상에 기초합니다. 일련의 정확한 설계 및 구조를 통해 레이저는 높은 일관성, 단색 성 및 밝기를 갖는 빔을 생성합니다. 레이저는 커뮤니케이션, 의학, 제조, 측정 및 과학 연구와 같은 분야를 포함하여 현대 기술에서 널리 사용됩니다. 그들의 높은 효율과 정확한 제어 특성은 그들을 많은 기술의 핵심 구성 요소로 만듭니다. 아래는 레이저의 작동 원리와 다른 유형의 레이저의 메커니즘에 대한 자세한 설명입니다.
1. 자극 방출
자극 방출1917 년 아인슈타인이 처음 제안한 레이저 생성의 기본 원리입니다.이 현상은 빛과 여기 상태 물질 사이의 상호 작용을 통해 어떻게 더 일관된 광자가 생성되는지를 설명합니다. 자극 된 방출을 더 잘 이해하려면 자발적인 방출부터 시작하겠습니다.
자발적 방출: 원자, 분자 또는 기타 현미경 입자에서 전자는 외부 에너지 (예 : 전기 또는 광학 에너지)를 흡수하고 여기 상태로 알려진 더 높은 에너지 수준으로 전이 될 수 있습니다. 그러나, 흥분된 상태 전자는 불안정하고 단기간 후지면 상태로 알려진 낮은 에너지 수준으로 돌아갑니다. 이 과정에서 전자는 광자를 방출하여 자발적 방출입니다. 이러한 광자는 주파수, 위상 및 방향 측면에서 무작위이므로 일관성이 부족합니다.
자극 방출: 자극 된 방출의 핵심은 흥분 상태 전자가 전이 에너지와 일치하는 에너지로 광자를 만나면 광자는 전자가지면 상태로 돌아와서 새로운 광자를 방출하도록 자극 할 수 있다는 것이다. 새로운 광자는 주파수, 위상 및 전파 방향 측면에서 원래 광자와 동일하여 일관된 빛을 만듭니다. 이 현상은 광자의 수와 에너지를 크게 증폭시키고 레이저의 핵심 메커니즘입니다.
자극 된 방출의 긍정적 인 피드백 효과: 레이저 설계에서 자극 된 방출 공정은 여러 번 반복되며,이 양성 피드백 효과는 광자 수를 기하 급수적으로 증가시킬 수 있습니다. 공명 공동의 도움으로 광자의 일관성이 유지되고 광선의 강도가 지속적으로 증가합니다.
2. 매체를 얻습니다
그만큼매체를 얻습니다광자의 증폭 및 레이저 출력을 결정하는 레이저의 핵심 재료입니다. 그것은 자극 된 방출의 물리적 기초이며, 그 특성은 레이저의 주파수, 파장 및 출력 전력을 결정합니다. 게인 매체의 유형 및 특성은 레이저의 적용 및 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
여기 메커니즘: 게인 매체의 전자는 외부 에너지 원에 의해 더 높은 에너지 수준으로 흥분해야합니다. 이 프로세스는 일반적으로 외부 에너지 공급 시스템에 의해 달성됩니다. 일반적인 여기 메커니즘에는 다음이 포함됩니다.
전기 펌핑: 전류를 적용하여 게인 매체의 전자를 흥미 롭습니다.
광학 펌핑: 광원이있는 매체 (예 : 플래시 램프 또는 다른 레이저)가 흥미 롭습니다.
에너지 수준 시스템: 게인 매체의 전자는 일반적으로 특정 에너지 수준으로 분포됩니다. 가장 일반적인 것은입니다2 단계 시스템그리고4 단계 시스템. 간단한 2 단계 시스템에서, 전자는지면 상태에서 여기 상태로 전이 된 다음 자극 된 방출을 통해 접지 상태로 돌아갑니다. 4 단계 시스템에서 전자는 상이한 에너지 수준 사이의 더 복잡한 전환을 거쳐 종종 더 높은 효율을 초래한다.
게인 매체의 유형:
가스 게인 매체: 예를 들어, 헬륨 네온 (HE-NE) 레이저. 가스 게인 매체는 안정적인 출력과 고정 파장으로 유명하며 실험실에서 표준 광원으로 널리 사용됩니다.
액체 이득 매체: 예를 들어, 염료 레이저. 염료 분자는 서로 다른 파장에 걸쳐 좋은 여기 특성을 가지므로 조정 가능한 레이저에 이상적입니다.
솔리드 게인 매체: 예를 들어, ND (Neodymium Doped Yttrium Aluminum Garnet) 레이저. 이 레이저는 매우 효율적이고 강력하며 산업 절단, 용접 및 의료 응용 분야에 널리 사용됩니다.
반도체 이득 매체: 예를 들어, 갈륨 비소 (GAA) 재료는 레이저 다이오드와 같은 통신 및 광전자 장치에 널리 사용됩니다.
3. 공진기 공동
그만큼공진기 공동피드백 및 증폭에 사용되는 레이저의 구조적 구성 요소입니다. 핵심 기능은 캐비티 내부를 반사하고 증폭시켜 자극 된 방출을 통해 생성 된 광자의 수를 향상시켜 강력하고 집중된 레이저 출력을 생성하는 것입니다.
공진기 공동의 구조: 일반적으로 두 개의 평행 거울로 구성됩니다. 하나는 완전히 반사 된 거울입니다후면 미러다른 하나는 부분적으로 반사적 거울이며출력 미러. 광자는 공동 내에서 앞뒤로 반사되며 게인 매체와의 상호 작용을 통해 증폭된다.
공명 조건: 공진기 공동의 설계는 광자가 공동 내부에 서있는 파도를 형성하는 것과 같은 특정 조건을 충족해야합니다. 이를 위해서는 공동 길이가 레이저 파장의 배수가되어야합니다. 이러한 조건을 충족시키는 가벼운 파만 공동 내부에서 효과적으로 증폭 될 수 있습니다.
출력 빔: 부분 반사 미러는 증폭 된 광선의 일부가 통과하여 레이저의 출력 빔을 형성 할 수있게합니다. 이 빔은 높은 방향성, 일관성 및 단색 성을 갖습니다.
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