Stellen Sie sich einen Lichtstrahl vor, der stark genug ist, um Stahl zu durchtrennen oder komplizierte Operationen durchzuführen. Dieser Artikel taucht in die faszinierende Welt der Lasertechnologie ein und untersucht die wichtigsten Komponenten und Prinzipien, die Laser möglich machen. Vom aktiven Medium bis hin zum optischen Resonator spielt jedes Element eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Verstärkung von Laserlicht. Der Leser erhält ein umfassendes Verständnis für die Funktionsweise von Lasern und die Wissenschaft hinter dieser revolutionären Technologie. Bereiten Sie sich darauf vor, die Geheimnisse dieser außergewöhnlichen Lichtstrahlen zu lüften!
Die Grundstruktur des Lasers ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht aus den folgenden Komponenten:
Die Erzeugung von Laserlicht erfordert ein geeignetes aktives Medium, bei dem es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit, einen Festkörper oder einen Halbleiter handeln kann. In diesem Medium kann eine Besetzungsinversion erreicht werden, um die notwendigen Bedingungen für die Erzeugung von Laserlicht zu schaffen. Die Existenz metastabiler Energieniveaus erleichtert die Besetzungsinversion erheblich.
Es gibt fast tausend Arten von aktiven Medien, die Laserwellenlängen von Ultraviolett bis Ferninfrarot erzeugen können und damit ein breites Spektrum abdecken.
Das aktive Medium ist das Herzstück des Lasers und besteht aus Aktivatorteilchen (in der Regel Metalle) und einer Matrix. Die Energieniveaustruktur der Aktivatorteilchen bestimmt die spektralen Eigenschaften und die Fluoreszenzlebensdauer des Lasers, während die Matrix hauptsächlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften des aktiven Mediums bestimmt.
Laser lassen sich anhand der Energieniveaustruktur der Aktivatorteilchen in Drei-Niveau-Systeme (z. B. Rubinlaser) und Vier-Niveau-Systeme (z. B. Nd:YAG-Laser) unterteilen. Die gebräuchlichsten Formen für das aktive Medium sind zylindrisch (am häufigsten verwendet), planar, scheibenförmig und röhrenförmig.
Um eine Besetzungsinversion im aktiven Medium zu erreichen, müssen die Atome auf eine bestimmte Weise angeregt werden, um die Anzahl der Teilchen auf höheren Energieniveaus zu erhöhen. Eine kontinuierliche Laserleistung erfordert ein ständiges "Pumpen", um eine höhere Teilchenpopulation auf dem oberen Energieniveau als auf dem unteren aufrechtzuerhalten; daher wird die externe Pumpquelle auch als Pumpquelle bezeichnet.
Die Pumpquelle liefert Energie, um die Population zwischen dem hohen und dem niedrigen Energieniveau umzukehren, wobei heute hauptsächlich optisches Pumpen eingesetzt wird. Die Pumpquelle muss zwei grundlegende Bedingungen erfüllen: Sie muss eine hohe Lichtausbeute haben und ihre spektralen Eigenschaften müssen dem Absorptionsspektrum des aktiven Mediums entsprechen. Zu den üblichen Pumpquellen gehören Inertgasentladungslampen, Sonnenenergie und Diodenlaser.
Inertgasentladungslampen sind die am häufigsten verwendeten Pumpquellen. Das Pumpen mit Solarenergie wird häufig für Geräte mit geringer Leistung verwendet, insbesondere für kleine Laser in Weltraumanwendungen, die Solarenergie als ständige Energiequelle nutzen können. Das Diodenpumpen stellt die Zukunft der Festkörperlaser dar, da es viele Vorteile vereint und zu den sich am schnellsten entwickelnden Lasern gehört.
Diodenpumpverfahren lassen sich in zwei Arten unterteilen: Querpumpen (stirnseitiges Pumpen mit koaxialem Einfall) und Längspumpen (seitliches Pumpen mit vertikalem Einfall).
Diodengepumpte Festkörperlaser haben zahlreiche Vorteile, darunter eine lange Lebensdauer, eine gute Frequenzstabilität und eine minimale thermische optische Verzerrung. Der wichtigste Vorteil ist die hohe Pumpeffizienz aufgrund der genauen Abstimmung zwischen der Wellenlänge des Pumplichts und dem Absorptionsspektrum des aktiven Mediums.
Die Fokussierkavität hat zwei Funktionen: Sie koppelt die Pumpquelle effektiv mit dem aktiven Medium und bestimmt die Verteilung der Pumplichtdichte auf dem aktiven Medium, wodurch die Gleichmäßigkeit, Divergenz und optische Verzerrung des Ausgangsstrahls beeinflusst wird.
Da sich sowohl das aktive Medium als auch die Pumpquelle in der Fokussierkavität befinden, wirkt sich deren Qualität direkt auf die Effizienz und Leistung der Pumpe aus. Fokussierkavitäten mit elliptischen Zylindern werden am häufigsten in kleinen Festkörperlasern verwendet.
Der optische Resonator besteht im Wesentlichen aus zwei stark reflektierenden Spiegeln, die sich an den Enden des Lasers gegenüberstehen. Ein Spiegel ist voll reflektierend, während der andere teilreflektierend ist, so dass der größte Teil des Lichts zurückreflektiert wird, während ein kleiner Teil nach außen durchgelassen wird und Laserlicht erzeugt. Das in das aktive Medium zurückreflektierte Licht induziert weiterhin neue stimulierte Emissionen und verstärkt das Licht.
Das Licht schwingt im Resonator hin und her und löst eine Kettenreaktion und eine lawinenartige Verstärkung aus, die dazu führt, dass vom teilreflektierenden Spiegelende intensives Laserlicht abgestrahlt wird.
Der optische Resonator sorgt nicht nur für die optische Rückkopplung zur Aufrechterhaltung der kontinuierlichen Laseroszillation und der stimulierten Emission, sondern begrenzt auch die Richtung und Frequenz des oszillierenden Lichtstrahls, um die hohe Monochromatizität und die hohe Richtwirkung des Ausgangslasers zu gewährleisten. Der einfachste und am häufigsten verwendete optische Resonator für Festkörperlaser besteht aus zwei flachen (oder kugelförmigen) Spiegeln, die einander gegenüberliegen.
Die Kühl- und Filtersysteme sind unverzichtbare Hilfsmittel für einen Laser. Laser erzeugen beim Betrieb erhebliche Wärme, so dass Kühlmaßnahmen erforderlich sind. Das Kühlsystem kühlt in erster Linie das laseraktive Medium, die Pumpquelle und die Fokussierkavität, um den normalen Betrieb des Lasers zu gewährleisten und die Geräte zu schützen.
Zu den Kühlmethoden gehören Flüssigkeits-, Gas- und Leitungskühlung, wobei die Flüssigkeitskühlung am häufigsten verwendet wird. Um einen Laserstrahl mit hoher Monochromatizität zu erhalten, ist es außerdem notwendig, den Ausgang zu filtern. Das Filtersystem kann den größten Teil des Pumplichts und anderes störendes Licht entfernen, was zu einem Ausgangslaserstrahl von hoher monochromatischer Qualität führt.
Nehmen wir den Rubinlaser als Beispiel, um das Funktionsprinzip eines Lasers zu erklären. Das aktive Medium ist ein Rubinstab. Rubin ist ein Aluminiumoxidkristall, der mit einer geringen Menge an dreiwertigen Chromionen dotiert ist, typischerweise mit einem Chromoxid-Massenverhältnis von etwa 0,05%. Da Chromionen grünes und blaues Licht aus weißem Licht absorbieren, erscheint der Edelstein rosa.
Der Rubin, der 1960 von Maiman für den ersten erfundenen Laser verwendet wurde, war ein zylindrischer Stab mit einem Durchmesser von 0,8 cm und einer Länge von etwa 8 cm. An seinen Enden befinden sich zwei parallele, ebene Spiegel, von denen einer mit einer voll reflektierenden Schicht und der andere mit einer Transmissionsrate von 10% beschichtet ist, so dass der Laser durchgelassen werden kann.
Im Rubinlaser wird eine Hochdruck-Xenonlampe als "Pumpe" verwendet, um Chromionen in den angeregten Zustand E3. Nach E gepumpte Elektronen3 schnellen Übergang (in etwa 10-8 Sekunden) auf E2 ohne Strahlung. E2 ist ein metastabiles Energieniveau, bei dem die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Emission nach E1 ist sehr gering, mit einer Lebensdauer von bis zu 10-3 Sekunden, so dass die Partikel über einen längeren Zeitraum verbleiben können.
Folglich sammeln sich die Partikel bei E2eine Populationsinversion zwischen den Energieniveaus E2 und E1. Die stimulierte Emission von Licht aus E2 nach E1 ist ein roter Laser mit einer Wellenlänge von 694,3 nm. Der aus der gepulsten Xenon-Lampe gewonnene Pulslaser hat eine Dauer von weniger als 1 ms pro Lichtpuls, wobei die Energie jedes Pulses 10 J und die Leistung jedes Pulslasers 10 kW übersteigen kann.
Der Prozess der Anregung von Chromionen und der Emission von Laserlicht umfasst drei Energieniveaus und wird daher als Dreiniveausystem bezeichnet. Da in einem Drei-Niveau-System das niedrigere Energieniveau E1 der Grundzustand ist und typischerweise eine große Anzahl von Atomen anhäuft, erfordert das Erreichen der Besetzungsinversion eine erhebliche Menge an Anregung.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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