Princip laseru

Princip laserů je založen na stimulované emisi, což je koncept, který poprvé navrhl Einstein na počátku 20. století. Hlavní proces je následující:

- Přechod elektronů: Atomy nebo molekuly v pracovním médiu získávají energii pod vlivem zdroje čerpadla (jako je elektrická energie, světelná energie atd.), přecházejí z nízké energetické hladiny na vysokou energetickou hladinu a vstupují do excitovaného stavu. Protože vysoká energetická hladina je nestabilní, atomy nebo molekuly spontánně přecházejí zpět na nízkoenergetickou hladinu a uvolňují přitom fotony.

- Odraz rezonanční dutiny: Tyto fotony se odrážejí tam a zpět v rezonanční dutině, interagují s jinými atomy nebo molekulami v excitovaném stavu v pracovním médiu a spouštějí stimulovanější emisi. To způsobuje náhlý nárůst počtu fotonů, což má za následek vysoce intenzivní, vysoce monochromatické a extrémně směrové laserové světlo.

Laserové komponenty

Laser se skládá především ze tří částí: pracovního média, zdroje čerpadla a rezonanční dutiny.

- Pracovní médium: Toto je základ generace laseru. Skládá se z aktivního média, které umožňuje inverzi populace, jako je rubín, neodymové sklo nebo plynný oxid uhličitý.

- Zdroj čerpadla: Poskytuje energii pracovnímu médiu a vyvolává stimulované emise. Mezi běžné metody patří elektrické buzení a optické buzení.

- Rezonanční dutina: Skládá se z totálních vnitřních odrazových zrcadel a částečných vnitřních odrazových zrcadel, poskytuje zpětnou vazbu a oscilační prostředí pro fotony, což jim umožňuje cestovat tam a zpět v dutině několikrát, zesiluje efekt stimulované emise a nakonec vytváří laserový výstup.

Rozdíl mezi jednovidovými a vícevidovými lasery

Hlavní rozdíl mezi jednovidovými a vícevidovými lasery spočívá v počtu režimů ve výstupním paprsku.

- Jednorežimový laser: Podporuje pouze jeden režim šíření světla. Má vysokou kvalitu paprsku, dobrou směrovost a koherenci, standardní kruhový bod paprsku a malý úhel divergence. Je vhodný pro vysoce přesné aplikace, jako jsou laserové interferometry a komunikace z optických vláken.

- Vícerežimový laser: Podporuje více režimů šíření světla. Má velký úhel divergence výstupního paprsku, složitý tvar paprsku a rozložení intenzity a kratší koherenční délku, ale vysoký výstupní výkon. Je vhodný pro méně náročné aplikace jako je zpracování materiálů a laserové osvětlení.

Lasery – Gaussovy paprsky

Lasery se nazývají Gaussovy paprsky, protože jejich rozložení intenzity napříč jejich průřezem přibližně odpovídá Gaussově funkci, což znamená, že intenzita je vysoká ve středu a postupně klesá směrem k okrajům, přičemž vykazuje křivku ve tvaru zvonu.

Tato distribuční charakteristika pramení ze samoreprodukovatelnosti laseru během jeho tvorby v rezonanční dutině; i po difrakci a šíření si jeho rozložení intenzity zachovává Gaussovu formu. Gaussovy paprsky mají vynikající zaostřovací výkon a monochromatičnost, účinně snižují konkurenci režimů a zlepšují kvalitu paprsku, díky čemuž jsou široce používány v návrhu optických systémů, laserovém zpracování a dalších oblastech.

Klasifikace laseru Lasery lze klasifikovat mnoha způsoby, z nichž jeden je podle pracovního média:

- Solid-State lasery: Používají pevné materiály jako pracovní médium, jako jsou lasery s hliníkovým granátem dopovaným neodymem (Nd:YAG). Tyto lasery mají obvykle vysoký výkon a dobrou stabilitu a jsou široce používány v průmyslovém zpracování, medicíně a vědeckém výzkumu.

- Plynové lasery: Používají plyny jako pracovní médium, jako jsou helium-neonové lasery (He-Ne) a lasery na bázi oxidu uhličitého (CO2). Plynové lasery mají široké použití ve viditelné a infračervené spektrální oblasti.

- Kapalné lasery: Také známé jako barvivové lasery, používají jako pracovní médium roztoky organických barviv. Jejich laditelnost vlnových délek jim dává jedinečné výhody ve vědeckém výzkumu a biomedicíně.

- Polovodičové lasery: Tyto používají jako pracovní médium polovodičové materiály, jako jsou laserové diody. Tyto lasery nabízejí výhody v miniaturizaci a integraci a jsou široce používány v optické komunikaci, laserovém tisku a dalších oborech.

- Lasery s volnými elektrony: Tyto využívají vysokorychlostní svazky volných elektronů jako pracovní médium. Nabízejí široký rozsah výstupního výkonu a vlnových délek, díky čemuž jsou vhodné pro fyziku vysokých energií a rentgenovou spektroskopii.