Principiul laserului

Principiul laserelor se bazează pe emisia stimulată, un concept propus pentru prima dată de Einstein la începutul secolului al XX-lea. Procesul principal este următorul:

- Tranziția electronică: Atomii sau moleculele din mediul de lucru câștigă energie sub influența unei surse de pompă (cum ar fi energia electrică, energia luminoasă etc.), trecând de la un nivel de energie scăzut la un nivel de energie ridicat, intrând într-o stare excitată. Deoarece nivelul de energie ridicat este instabil, atomii sau moleculele trec spontan înapoi la nivelul de energie scăzut, eliberând fotoni în acest proces.

- Reflecția cavității rezonante: acești fotoni se reflectă înainte și înapoi în cavitatea rezonantă, interacționând cu alți atomi sau molecule în stare excitată din mediul de lucru, declanșând o emisie mai stimulată. Acest lucru face ca numărul de fotoni să crească brusc, rezultând o lumină laser de mare intensitate, foarte monocromatică și extrem de direcțională.

Componente laser

Laserul constă în principal din trei părți: mediul de lucru, sursa pompei și cavitatea rezonantă.

- Mediu de lucru: acesta este fundamentul generarii laserului. Este compus dintr-un mediu activ care permite inversarea populației, cum ar fi rubinul, sticla de neodim sau dioxidul de carbon gazos.

- Sursa pompa: Furnizeaza energie mediului de lucru, inducand emisia stimulata. Metodele comune includ excitația electrică și excitația optică.

- Cavitate rezonantă: Compusă din oglinzi de reflexie internă totală și oglinzi de reflexie internă parțială, oferă feedback și un mediu oscilant pentru fotoni, permițându-le să călătorească înainte și înapoi de mai multe ori în interiorul cavității, sporind efectul de emisie stimulată și în cele din urmă formând ieșire laser.

Diferența dintre laserele cu un singur mod și cele cu mai multe moduri

Principala diferență între laserele monomod și multimod constă în numărul de moduri din fasciculul de ieșire.

- Laser monomod: acceptă un singur mod de propagare a luminii. Are o calitate ridicată a fasciculului, o direcționalitate și coerență bune, un punct de fascicul circular standard și un unghi mic de divergență. Este potrivit pentru aplicații de înaltă precizie, cum ar fi interferometrele laser și comunicațiile cu fibră optică.

- Laser multimod: Suporta mai multe moduri de propagare a luminii. Are un unghi mare de divergență a fasciculului de ieșire, formă complexă a fasciculului și distribuție a intensității și o lungime de coerență mai scurtă, dar putere de ieșire mare. Este potrivit pentru aplicații mai puțin solicitante, cum ar fi prelucrarea materialelor și iluminarea cu laser.

Lasere – fascicule gaussiene

Laserele sunt numite fascicule gaussiene deoarece distribuția lor de intensitate pe secțiunea lor transversală se conformează aproximativ unei funcții gaussiene, ceea ce înseamnă că intensitatea este mare în centru și scade treptat spre margini, prezentând o curbă în formă de clopot.

Această caracteristică de distribuție provine din autoreproductibilitatea laserului în timpul formării acestuia în cavitatea rezonantă; chiar și după difracție și propagare, distribuția sa de intensitate menține o formă gaussiană. Fasciculele gaussiene posedă performanțe excelente de focalizare și monocromaticitate, reducând eficient concurența în mod și îmbunătățind calitatea fasciculului, făcându-le utilizate pe scară largă în proiectarea sistemului optic, procesarea laser și în alte domenii.

Clasificarea laserelor Laserele pot fi clasificate în mai multe moduri, dintre care unul este după mediul de lucru:

- Lasere cu stare solidă: Acestea folosesc materiale solide ca mediu de lucru, cum ar fi laserele granat din aluminiu dopat cu neodim (Nd:YAG). Aceste lasere au de obicei o putere mare de ieșire și o stabilitate bună și sunt utilizate pe scară largă în procesarea industrială, medicină și cercetarea științifică.

- Lasere cu gaz: Acestea folosesc gaze ca mediu de lucru, cum ar fi laserele cu heliu-neon (He-Ne) și laserele cu dioxid de carbon (CO2). Laserele cu gaz au aplicații largi în regiunile spectrale vizibile și infraroșii.

- Laserele lichide: cunoscute și sub denumirea de lasere colorante, acestea folosesc soluții de colorare organică ca mediu de lucru. Reglabilitatea lungimii de undă le oferă avantaje unice în cercetarea științifică și biomedicină.

- Laserele semiconductoare: Acestea folosesc materiale semiconductoare ca mediu de lucru, cum ar fi diodele laser. Aceste lasere oferă avantaje în miniaturizare și integrare și sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile optice, imprimarea cu laser și în alte domenii.

- Lasere cu electroni liberi: Acestea folosesc fascicule de electroni liberi de mare viteză ca mediu de lucru. Ele oferă o gamă largă de putere de ieșire și lungimi de undă, făcându-le potrivite pentru fizica de înaltă energie și spectroscopie cu raze X.