Heb je je ooit afgevraagd waarom lasers zo precies en krachtig zijn? In tegenstelling tot gewoon licht hebben lasers unieke eigenschappen zoals hoge richtbaarheid, monochromaticiteit, coherentie en intensiteit. Dit artikel verkent deze eigenschappen en hun toepassingen, van medische instrumenten tot industrieel snijden. Duik erin om te ontdekken hoe deze fascinerende lichtbundels werken en wat hun invloed is op technologie en wetenschap.
Een typische lichtbron straalt licht uit dat in alle richtingen straalt en met toenemende afstand afneemt. Deze verzwakking is voornamelijk te wijten aan het feit dat het licht van dergelijke bronnen het resultaat is van een groot aantal moleculen of atomen in de bron die onafhankelijk van elkaar fotonen uitzenden tijdens spontane straling. Lasers daarentegen versterken invallende fotonen door gestimuleerde emissie.
Door de verschillende mechanismen achter laseropwekking in vergelijking met gewone lichtbronnen, vertonen lasers unieke kenmerken die niet gedeeld worden met conventioneel licht, die over het algemeen kunnen worden samengevat in vier aspecten: directionaliteit, monochromaticiteit, coherentie en hoge intensiteit.
Lasers zenden licht uit via gestimuleerde straling; elk foton behoudt dezelfde frequentie, fase en polarisatietoestand als het invallende licht, dit alles onder controle van een optische resonator. Dankzij deze controle kan de laserstraal zich strikt langs de as van de resonator voortplanten met een zeer kleine divergentiehoek, die die van parallel licht benadert.
De hoge richtingsgevoeligheid van lasers wordt bepaald door het mechanisme van gestimuleerde emissie en de beperkende invloed van de optische resonator op de richting van de oscillerende lichtbundel. Nauwkeurige gegevens hebben aangetoond dat een laserstraal die van de aarde naar de maan wordt uitgezonden, een afstand van ongeveer 380.000 kilometer, resulteert in een bundelvlek op de maan met een diameter van minder dan 1000 meter.
Deze uitstekende richtbaarheid heeft geleid tot het wijdverspreide gebruik van lasers in afstandsbepaling, communicatie en plaatsbepaling. De hoge richtingsgevoeligheid van lasers maakt effectieve transmissie over lange afstanden en bundeling tot zeer hoge vermogensdichtheden mogelijk. laserbewerking.
De kleur van licht wordt bepaald door de golflengte. De breedte tussen de twee golflengten waarbij de intensiteit de helft van het maximum is, wordt meestal gedefinieerd als de breedte van de spectraallijn. Hoe smaller de breedte van de spectraallijn, hoe beter de monochromaticiteit van het licht. Zichtbaar licht bestaat uit zeven kleuren, elk met een spectraallijnbreedte van 40 tot 50 nanometer.
De monochromaticiteit van lasers is veel groter dan die van gewone lichtbronnen. De spectrale lijnbreedte van het rode laserlicht dat wordt uitgezonden door een helium-neonlaser is bijvoorbeeld slechts 10-8 nanometer, wat aanzienlijk monochromatischer is dan een kryptonlamp. Sommige speciale lasers hebben een nog hogere monochromaticiteit.
De extreem hoge monochromaticiteit van lasers elimineert vrijwel de chromatische dispersie (de variatie van brekingsindex met golflengte) van focuslenzen, waardoor de lichtbundel precies kan worden gefocust op het brandpunt en een hoge vermogensdichtheid kan worden bereikt. De uitstekende monochromaticiteit van lasers biedt een voordelig hulpmiddel voor precisiemetingen aan instrumenten en voor het stimuleren van bepaalde chemische reacties in wetenschappelijke experimenten.
Coherentie beschrijft voornamelijk de faserelaties tussen verschillende delen van een lichtgolf en omvat twee aspecten: temporele coherentie en ruimtelijke coherentie. Voor lasers wordt de ruimtelijke verdeling van het lichtveld gewoonlijk ontleed in een verdeling langs de voortplantingsrichting (holteas) E(z) en een verdeling over de dwarsdoorsnede loodrecht op de voortplantingsrichting E(x, y).
Zo kunnen lasercaviteitsmodi worden onderverdeeld in longitudinale en transversale modi, die respectievelijk de longitudinale en transversale lichtveldverdelingen van de holtemodi weergeven.
De temporele coherentie van een laser verwijst naar de faserelaties tussen punten langs de voortplantingsrichting van de straal. In praktische toepassingen wordt coherentietijd vaak gebruikt om de temporele coherentie van een laser te beschrijven. Hoe smaller de spectrale lijnbreedte, d.w.z. hoe hoger de monochromaticiteit, hoe langer de coherentietijd.
Singlemode gestabiliseerde frequentielasers hebben de beste monochromaticiteit en bereiken doorgaans 106 tot 1013 Hz; vastestoflasers hebben een slechtere monochromaticiteit, voornamelijk omdat hun versterkingscurve breed is, waardoor het moeilijk is om een enkele longitudinale modus te gebruiken; halfgeleiderlasers hebben de slechtste monochromaticiteit.
Enkelvoudige moduswerking (modusselectietechnologie) en frequentiestabilisatie zijn cruciaal voor het verbeteren van coherentie. Een frequentiegestabiliseerde laser met enkelvoudige transversale modus zendt licht uit dat een ideale monochromatische vlakke golf benadert, d.w.z. volledig coherent.
De ruimtelijke coherentie van een laser is de faserelatie tussen punten op een vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de straal. Het verwijst naar de schaal waarop licht dat door de straal wordt uitgezonden kan samenkomen in een punt in de ruimte om interferentiepatronen te vormen, en ruimtelijke coherentie is gerelateerd aan de grootte van de lichtbron.
Een ideale vlakke golf is volledig ruimtelijk coherent en heeft een divergentiehoek van nul. In de praktijk kan echter, vanwege diffractie-effecten, de kleinste straalemissiehoek die door een laser kan worden bereikt niet kleiner zijn dan de hoek van de diffractielimiet bij het passeren van de uitvoeropening.
Om de ruimtelijke coherentie van een laser te verbeteren, is het ten eerste essentieel om de laser te beperken om in één transversale modus te werken; ten tweede moet het type optische holte op de juiste manier geselecteerd worden en moet de holte langer gemaakt worden om de richtingscoëfficiënt van de straal te verbeteren. Daarnaast kunnen inhomogeniteiten in het actieve medium, fouten bij het bewerken en afstellen van de caviteit en andere factoren ook de richtingsgevoeligheid van de straal verminderen.
Door de uitstekende richtingsgevoeligheid van laserstralen wordt de uitgezonden energie opgesloten binnen een zeer smalle ruimtehoek en is de energie geconcentreerd binnen een smalle spectrale lijnbreedte. Dit verhoogt de spectrale helderheid van lasers aanzienlijk in vergelijking met conventionele lichtbronnen. Bij gepulseerde lasers, waarbij de energieafgifte verder wordt gecomprimeerd in een zeer kort tijdsinterval, kan de spectrale helderheid nog verder worden verbeterd.
Momenteel is het verhogen van het uitgangsvermogen en de efficiëntie een belangrijke richting in de laserontwikkeling. Gaslasers, zoals CO2kunnen het hoogste continue vermogen produceren, terwijl vastestoflasers het hoogste pulsvermogen kunnen produceren.
Vooral door het gebruik van optische caviteitsmodulatietechnieken en laserversterkers kan de oscillatietijd van de laser worden gecomprimeerd tot zeer kleine waarden (in de orde van 10-9 seconden) en de uitgangsenergie kan worden versterkt, wat resulteert in een extreem hoog pulsvermogen. Met modusslot- en pulsbreedtecompressietechnieken kunnen laserpulsbreedten verder worden gecomprimeerd tot 10-15 seconden.
Het belangrijkste, laservermogen (energie) kan worden geconcentreerd in een enkele (of enkele) modi, waardoor een zeer hoge mate van fotondegeneratie wordt bereikt. Wanneer een laserstraal door een lens wordt gefocusseerd, kan deze temperaturen van enkele duizenden, zelfs tienduizenden graden Celsius genereren in de buurt van het brandpunt, waardoor alle materialen kunnen worden bewerkt.
Zo kunnen bijvoorbeeld CO2 lasersnijden machines die vaak in de industrie worden gebruikt, hebben een brandpuntsafstand van 127 tot 190 mm, met een brandpuntspotdiameter van 0,1 tot 0,4 mm en hun energiedichtheid kan oplopen tot 10 W/cm.2.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO