Qual é o princípio e o funcionamento dos lasers?

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Com exceção dos lasers de elétrons livres, o princípio básico de funcionamento de todos os tipos de lasers é o mesmo. As condições essenciais para a geração do laser são a inversão do número de partículas e o ganho maior que a perda, de modo que os componentes essenciais do dispositivo incluem fonte de excitação (ou bombeamento) e meio de trabalho com nível de energia metaestável. A excitação é a excitação do meio de trabalho para um estado excitado após a absorção de energia externa, criando condições para a realização e manutenção da inversão da população de partículas. Os métodos de excitação incluem excitação óptica, excitação elétrica, excitação química e excitação por energia nuclear.

O nível de energia metaestável do meio de trabalho torna a radiação estimulada dominante, realizando assim a amplificação da luz. O componente comum no laser é o ressonador, mas o ressonador (ver ressonador óptico) não é uma parte essencial. O ressonador pode fazer com que os fótons na cavidade tenham frequência, fase e direção de execução consistentes, de modo que o laser tenha boa direcionalidade e coerência. Além disso, pode encurtar muito bem o comprimento da substância de trabalho e também pode ajustar o modo da luz laser gerada alterando o comprimento da cavidade ressonante (ou seja, seleção de modo), portanto, geralmente os lasers têm uma cavidade ressonante.

Um laser geralmente consiste em três partes:

1. Substância de trabalho:o núcleo do laser, apenas a substância que pode atingir a transição do nível de energia pode ser usada como substância de trabalho do laser.

2. Energia Incentivadora:Sua função é fornecer energia à substância de trabalho e excitar os átomos de um nível de energia baixo para um nível de energia externo alto. Normalmente pode haver energia luminosa, energia térmica, energia elétrica, energia química e assim por diante.

3. Cavidade Ressonante Óptica:A primeira função é fazer com que a radiação estimulada da substância de trabalho continue; a segunda é acelerar continuamente os fótons; o terceiro é limitar a direção da saída do laser. O ressonador óptico mais simples consiste em dois espelhos paralelos colocados em ambas as extremidades de um laser HeNe. Quando alguns átomos de néon transitam entre os dois níveis de energia que atingiram a inversão do número de partículas e irradiam fótons paralelos à direção do laser, esses fótons serão refletidos para frente e para trás entre os dois espelhos, causando assim continuamente radiação estimulada. laser bastante poderoso é produzido.

A luz pura e espectralmente estável emitida pelos Lasers pode ser usada de várias maneiras

Laser de Rubi:O laser original era um rubi excitado por uma lâmpada brilhante, e o laser produzido era um "laser pulsado" em vez de um feixe contínuo constante. A qualidade da velocidade da luz produzida por este laser é fundamentalmente diferente do laser produzido pelos diodos laser que usamos hoje. Essa emissão de luz intensa, que dura apenas alguns nanossegundos, é ideal para capturar objetos que se movem facilmente, como retratos holográficos de pessoas. O primeiro retrato a laser nasceu em 1967. Os lasers de rubi requerem rubis caros e produzem apenas breves pulsos de luz.

Laser He-Ne:Em 1960, os cientistas Ali Javan, William R.Brennet Jr. e Donald Herriot projetaram o laser He-Ne. Foi o primeiro laser a gás, um tipo de equipamento comumente usado por fotógrafos holográficos. Duas vantagens: 1. Saída contínua de laser é gerada; 2. Nenhuma lâmpada de flash é necessária para a excitação da luz, e o gás é excitado pela eletricidade.

Laser Diodo:O laser de diodo é um dos lasers mais usados ​​atualmente. O fenômeno da recombinação espontânea de elétrons e buracos em ambos os lados da junção PN do diodo para emitir luz é chamado de emissão espontânea. Quando os fótons gerados por emissão espontânea passam pelo semicondutor, uma vez que passam perto dos pares elétron-buraco emitidos, eles podem ser estimulados a se recombinar para gerar novos fótons, que induzem a recombinação de portadores excitados para emitir novos fótons O fenômeno é chamado de estimulado emissão.

Se a corrente injetada for grande o suficiente, a distribuição de portadores oposta ao estado de equilíbrio térmico será formada, ou seja, a população das partículas é invertida. Quando um grande número de portadores na camada ativa é invertido, uma pequena quantidade de fótons gerados pela radiação espontânea gerará radiação induzida devido à reflexão recíproca em ambas as extremidades do ressonador, resultando em feedback positivo de ressonância seletiva de frequência, ou um ganho para uma determinada frequência. Quando o ganho é maior que a perda por absorção, luz coerente com boas linhas espectrais pode ser emitida da junção PN - laser. A invenção dos diodos de laser tornou as aplicações de laser rapidamente populares, e várias aplicações, como digitalização de informações, comunicação por fibra óptica, alcance de laser, radar de laser, discos de laser, ponteiros de laser, cobrança de pagamentos em supermercados, etc., estão sendo constantemente desenvolvidas e popularizadas.

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