Introduction to the types, uses and principles of lasers

Type of use

 

The pure quality and stable spectrum of light emitted by lasers can be applied in many ways.

 

Ruby laser: The original laser was a ruby that was excited by a bright flash bulb, and the laser produced was a "pulse laser" rather than a continuous and stable beam. The quality of the speed of light produced by this laser is fundamentally different from the laser produced by the laser diodes we use. This intense light emission, which lasts only a few nanoseconds, is ideal for capturing easily moving objects, such as holographic portraits of people. The first laser portrait was born in 1967. Ruby lasers require expensive rubies and produce only brief pulses of light.

 

Helium-neon laser: In 1960, scientists Ali Javan, William R.Brennet Jr. and Donald Herriot designed a helium-neon laser. It was the first gas laser, a type of equipment commonly used by holographic photographers. Two advantages: 1. Continuous laser output is generated; 2. No flash bulb is needed for light excitation, but gas is excited by electricity.

 

Laser diode: Laser diode is one of the most commonly used lasers at present. The phenomenon of spontaneous recombination of electrons and holes on both sides of the PN junction of the diode to emit light is called spontaneous emission. When the photons generated by spontaneous emission pass through the semiconductor, once they pass near the emitted electron-hole pairs, they can be stimulated to recombine to generate new photons, which induce the recombination of excited carriers to emit new photons The phenomenon is called stimulated emission. If the injection current is large enough, the carrier distribution opposite to the thermal equilibrium state will be formed, that is, the population of the particles is reversed. When a large number of carriers in the active layer are reversed, a small amount of photons generated by spontaneous radiation will generate induced radiation due to the reciprocal reflection at both ends of the resonator, resulting in positive feedback of frequency-selective resonance, or a gain for a certain frequency. When the gain is greater than the absorption loss, coherent light with good spectral lines can be emitted from the PN junction—laser. The invention of laser diodes has made laser applications rapidly popular, and various applications such as information scanning, optical fiber communication, laser ranging, laser radar, laser discs, laser pointers, supermarket payment collection, etc., are constantly being developed and popularized.

 

Principle introduction

 

자유 전자 레이저를 제외하고 모든 종류의 레이저의 기본 작동 원리는 동일합니다. 레이저 생성의 필수 조건은 입자 수 반전 및 손실보다 큰 이득이므로 장치의 필수 구성 요소에는 여기(또는 펌핑) 소스와 준안정 에너지 수준의 작동 매체가 포함됩니다. 여기란 외부 에너지를 흡수한 후 작동 매체를 여기 상태로 여기하여 입자 모집단 역전의 실현 및 유지를 위한 조건을 만드는 것입니다. 여기 방법에는 광 여기, 전기 여기, 화학적 여기 및 핵 에너지 여기가 포함됩니다. 작동 매체의 준안정 에너지 준위는 자극된 방사선을 우세하게 만들어 광 증폭을 실현합니다. 레이저의 공통 구성 요소는 공진기, 그러나 공진기(광학 공진기 참조)는 필수 부품이 아닙니다. 공진기는 캐비티의 광자가 일관된 주파수, 위상 및 진행 방향을 가지도록 하여 레이저의 방향성 및 일관성이 우수합니다. 또한 작동 물질의 길이를 매우 잘 단축시킬 수 있으며 공진 공동의 길이를 변경(즉, 모드 선택)하여 생성된 레이저 광의 모드를 조정할 수도 있으므로 일반적으로 레이저는 공진 공동을 가지고 있습니다.

 

레이저 작동 물질

 

입자 수 반전 및 빛의 유도 방사선 증폭을 달성하는 데 사용되는 재료 시스템을 말하며 때로는 레이저 이득 매질이라고도 하며 고체(결정, ​​유리), 가스(원자 가스, 이온 가스, 분자 가스), 반도체 및 액체일 수 있습니다. 그리고 다른 매체. 레이저 작동 물질에 대한 주요 요구 사항은 작동 입자의 특정 에너지 수준 사이에서 가능한 한 많은 입자 모집단 반전을 달성하고 전체 레이저 방출 프로세스 동안 이 반전을 가능한 한 효과적으로 유지하는 것입니다. 이러한 이유로 작업 물질은 적절한 에너지 준위 구조와 전이 특성을 가져야 합니다.

 

인센티브 펌핑 시스템

 

레이저 가공 물질의 입자수 반전을 구현하고 유지하기 위한 에너지원을 제공하는 메커니즘 또는 장치를 말합니다. 작업 물질과 레이저의 작동 조건에 따라 다른 여기 방법과 여기 장치를 채택할 수 있으며 다음 4가지가 일반적입니다. ① 광 여기(광 펌프). 외부 광원에서 방출되는 빛을 사용하여 작업 물질을 조사하여 입자 수 반전을 달성합니다. 전체 여기 장치는 일반적으로 가스 방전 광원(예: 크세논 램프, 크립톤 램프) 및 집광기로 구성됩니다. 이 여기 방법은 램프 펌핑이라고도 합니다. ② 가스 방전 여기. 가스 작동 물질의 가스 배출 과정은 입자 수의 반전을 실현하는 데 사용되며, 전체 여기 장치는 일반적으로 방전 전극과 방전 전원으로 구성됩니다. ③ 화학적 인센티브. 입자 수 반전은 작업 물질 내부에서 발생하는 화학 반응 과정을 사용하여 달성되며 일반적으로 적절한 화학 반응물과 해당 트리거링 조치가 필요합니다. ④ 원자력 인센티브. 그것은 작은 핵분열 반응에 의해 생성된 핵분열 파편, 고에너지 입자 또는 방사선을 사용하여 작업 재료를 여기시키고 입자 수의 반전을 실현합니다. 일반적으로 적절한 화학 반응물과 그에 상응하는 유발 조치가 필요합니다. ④ 원자력 인센티브. 그것은 작은 핵분열 반응에 의해 생성된 핵분열 파편, 고에너지 입자 또는 방사선을 사용하여 작업 재료를 여기시키고 입자 수의 반전을 실현합니다. 일반적으로 적절한 화학 반응물과 그에 상응하는 유발 조치가 필요합니다. ④ 원자력 인센티브. 작은 핵분열 반응에 의해 생성된 핵분열 조각, 고에너지 입자 또는 방사선을 사용하여 작업 재료를 여기시키고 입자 수의 반전을 실현합니다.

 

옵티컬 캐비티

 

일반적으로 특정 방식으로 결합된 특정 기하학적 모양과 광학적 반사 특성을 가진 두 개의 거울로 구성됩니다. 기능은 다음과 같습니다. ① 자극된 방사선 광자가 공동에서 여러 번 앞뒤로 이동하여 일관된 연속 진동을 형성하도록 광학 피드백 기능을 제공합니다. ② 캐비티 내 왕복 진동 빔의 방향과 주파수를 제한하여 출력 레이저가 일정한 방향성과 단색성을 갖도록 합니다. 공명 공동의 효과는 ① 기하학적 형태(반사면의 곡률 반경)와 일반적으로 공동을 구성하는 두 개의 거울의 상대적인 조합에 의해 결정됩니다.