Как работает твердотельный лазер?

Твердотельные лазеры восходят к 1960-м годам, когда был изобретен первый из когда-либо созданных лазеров. Первоначальный твердотельный лазер представлял собой рубиновый лазер, который генерировал интенсивную вспышку сине-белого света. Слово «лазер» означает усиление света за счет стимулированного излучения. С технической точки зрения лазеры не усиливают свет, а скорее генерируют его. Лазерный свет обладает уникальными характеристиками монохромности, когерентности и направленности.

Хотя полупроводниковые лазеры часто называют твердотельными лазерами, на самом деле это «диодные» лазеры, представляющие отдельный класс лазеров. В твердотельных лазерах в качестве «генерирующей» среды используется твердый кристаллический материал. Напротив, другие типы лазеров используют газ, жидкости и полупроводниковые кристаллы в качестве среды генерации. Определенные атомы, находящиеся внутри кристаллического хозяина, могут быть «возбуждены» внешним светом, процесс, который производит лазерный свет. Генерируемый свет представляет собой очень плотный луч, и его можно сжать или манипулировать еще больше, что делает лазерный свет чрезвычайно универсальным во многих областях, включая отрасль здравоохранения и промышленную резку и сварку.

Заказать подготовку изделий к лазерной сварке можно в компании https://laser-form.ru.

В лазерах часто используются рубиновые, гранатовые и сапфировые кристаллы в форме стержней. Эти цилиндрические стержни установлены в оптическом резонаторе, который составляет основную часть лазера. Твердотельные лазеры состоят из следующих компонентов:

Твердая кристаллическая среда для генерации, которую можно «накачать» до более высокого энергетического состояния.

Система накачки для накачки энергии в генерирующую среду (обычно система оптической накачки)

Резонатор (обычно пара зеркал, установленных на каждом конце лазера) для отражения стимулированного света через излучающую среду.

Хотя конкретные компоненты могут незначительно отличаться от одного лазера к другому, большинство твердотельных лазеров работают по схожим принципам. Лазеры начинают с лазерной среды (и всех ее атомов, ионов и молекул) в самом низком энергетическом состоянии, которое называется «основным состоянием».

Система накачки энергии стимулирует атомы, ионы и молекулы лазерной среды до «энергетического уровня 2». В этот момент некоторые из этих атомов, ионов и молекул естественным образом деградируют, возвращаясь в свое основное состояние и испуская фотон света в случайном направлении. Именно это спонтанное испускание фотонов и их взаимодействие с возбужденными атомами, ионами и молекулами придают лазерному свету его уникальные свойства. Когда естественным образом испускаемый фотон и часть энергетического уровня 2 взаимодействуют, высвобождается еще один фотон света. Эти вторичные фотоэмиссии имеют одинаковую длину волны, фазу и поляризацию, и они излучаются в одном и том же точном направлении.

Световой луч, генерируемый этим процессом, является монохроматическим, и все его волны возникают синхронно друг с другом. В лазере свет коллимируется; его лучи параллельны.

По мере продолжения процесса испускается все больше и больше вторичных фотонов. В зависимости от мощности системы накачки свет может генерироваться бесконечно, в результате чего получается лазер с непрерывной волной. Менее мощные источники накачки не могут поддерживать бесконечную генерацию света; таким образом, они приводят к импульсным лазерам. В любом случае свет твердотельного лазера можно манипулировать и использовать в различных приложениях.