Как работают лазерные кристаллы?

2023-08-16

делиться:

Лазерные кристаллы лежат в основе лазерных систем, позволяя генерировать и усиливать когерентный свет. Понимание того, как работают лазерные кристаллы, требует более внимательного изучения основополагающих принципов стимулированного излучения и процесса генерации.

1. Вынужденное излучение:

Лазерные кристаллы обычно состоят из твердотельных материалов, таких как рубин (оксид алюминия, легированный хромом) или Нд:ИАГ (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом). Эти кристаллы содержат легирующие ионы (например, хрома или неодима), которые имеют энергетические уровни внутри кристаллической решетки.

Когда лазерный кристалл возбуждается внешним источником энергии, например лампой-вспышкой или другим лазером, ионы легирующей примеси поглощают энергию и переходят на более высокие энергетические уровни. Этот процесс называется поглощением. Возбужденные ионы затем релаксируют обратно на более низкие энергетические уровни посредством спонтанной эмиссии, высвобождая фотоны в случайных направлениях и фазах.

Однако в лазерном кристалле может возникнуть явление, называемое вынужденным излучением. Когда фотон с определенной энергией (соответствующей разнице энергий между возбужденным и нижним энергетическими уровнями) проходит рядом с возбужденным ионом, он может стимулировать ион выпустить второй фотон, который идентичен по энергии, направлению, фазе и поляризации. Этот процесс создает каскадный эффект, поскольку испускаемые фотоны могут, в свою очередь, стимулировать другие возбужденные ионы излучать больше фотонов, что приводит к усилению света.

2. Оптический резонатор:

Для достижения лазерного воздействия лазерный кристалл помещается внутри оптического резонатора, состоящего из двух зеркал, образующих полость. Одно зеркало частично отражает, позволяя части излучаемого света улетучиваться, в то время как другое зеркало обладает высокой отражающей способностью, отражая свет обратно в кристалл.

Оптический резонатор играет решающую роль в работе лазера. Он обеспечивает обратную связь для поддержания процесса усиления, отражая фотоны обратно в кристалл, что стимулирует дальнейшее излучение и усиление. Длина резонатора определяет конкретные длины волн света, которые усиливаются и излучаются лазерным кристаллом.

3. Насосный механизм:

Лазерные кристаллы для возбуждения ионов легирующей примеси и инициирования процесса генерации требуется внешний источник энергии. Этот источник энергии известен как насос. Накачка может быть в виде лампы-вспышки, диодного лазера или другого лазера, в зависимости от конкретного материала кристалла и применения.

Накачка возбуждает ионы легирующей примеси в лазерном кристалле, поднимая их на более высокие энергетические уровни. Когда ионы возвращаются на свои более низкие энергетические уровни посредством вынужденного излучения, они испускают фотоны, которые усиливаются внутри кристалла благодаря оптическому резонатору. Этот процесс усиления продолжается до тех пор, пока в резонаторе не появится достаточное количество фотонов для формирования когерентного и интенсивного лазерного луча.

Таким образом, лазерные кристаллы работают, используя принципы вынужденного излучения и оптических резонаторов. Ионы легирующей примеси внутри кристалла поглощают энергию внешнего источника накачки, переходят на более высокие энергетические уровни, а затем испускают фотоны посредством вынужденного излучения. Эти фотоны усиливаются внутри кристалла благодаря оптическому резонатору, в результате чего генерируется когерентный и сфокусированный лазерный луч.