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

Except for the free electron laser, the basic working principle of all kinds of lasers is the same. The essential conditions for laser generation are particle number inversion and gain greater than loss, so the essential components in the device include excitation (or pumping) source and working medium with metastable energy level. Excitation is the excitation of the working medium to an excited state after absorbing external energy, creating conditions for the realization and maintenance of particle population inversion. The excitation methods include optical excitation, electrical excitation, chemical excitation and nuclear energy excitation. The metastable energy level of the working medium makes the stimulated radiation dominant, thereby realizing light amplification. The common component in the laser is the resonator, but the resonator (see optical resonator) is not an essential part. The resonator can make the photons in the cavity have a consistent frequency, phase and running direction, so that the laser has Good directionality and coherence. Moreover, it can shorten the length of the working substance very well, and can also adjust the mode of the generated laser light by changing the length of the resonant cavity (that is, mode selection), so generally lasers have a resonant cavity.

Laser-Arbeitssubstanz

Bezieht sich auf das Materialsystem, das verwendet wird, um eine Teilchenzahlinversion und eine stimulierte Strahlungsverstärkung von Licht zu erreichen, manchmal auch als Laserverstärkungsmedium bezeichnet. Sie können fest (Kristall, Glas), Gas (Atomgas, Ionengas, Molekulargas), Halbleiter und Flüssigkeiten sein und andere Medien. Die Hauptanforderung an den Laserarbeitsstoff besteht darin, einen möglichst hohen Grad an Teilchenpopulationsinversion zwischen den spezifischen Energieniveaus seiner Arbeitsteilchen zu erreichen und diese Inversion während des gesamten Laseremissionsprozesses so effektiv wie möglich zu halten; Aus diesem Grund muss der Arbeitsstoff eine geeignete Energieniveaustruktur und Übergangscharakteristik aufweisen.

Anreizpumpsystem

Bezieht sich auf den Mechanismus oder die Vorrichtung, die die Energiequelle für die Realisierung und Aufrechterhaltung der Teilchenzahlinversion des Laserarbeitsstoffs bereitstellt. Abhängig von der Arbeitssubstanz und den Betriebsbedingungen des Lasers können verschiedene Anregungsverfahren und Anregungsgeräte eingesetzt werden, und die folgenden vier sind üblich. ① Optische Anregung (optische Pumpe). Es verwendet das von einer externen Lichtquelle emittierte Licht, um die Arbeitssubstanz zu bestrahlen, um eine Partikelzahlinversion zu erreichen. Die gesamte Anregungseinrichtung besteht üblicherweise aus einer Gasentladungslichtquelle (z. B. Xenonlampe, Kryptonlampe) und einem Konzentrator. Dieses Anregungsverfahren wird auch Lampengepumpt genannt. ②Gasentladungsanregung. Der Gasentladungsprozess im Gasarbeitsstoff wird genutzt, um die Umkehrung der Teilchenzahl zu realisieren, und die gesamte Anregungsvorrichtung besteht üblicherweise aus einer Entladungselektrode und einer Entladungsstromversorgung. ③ chemische Anreize. Die Partikelzahlinversion wird durch Ausnutzung des im Arbeitsstoff ablaufenden chemischen Reaktionsprozesses erreicht und erfordert in der Regel entsprechende chemische Reaktanden und entsprechende Auslösemaßnahmen. ④ Kernenergie Anreize. Es verwendet die Spaltfragmente, hochenergetischen Teilchen oder Strahlung, die durch kleine Kernspaltungsreaktionen erzeugt werden, um das Arbeitsmaterial anzuregen und die Umkehrung der Anzahl der Teilchen zu realisieren. und erfordert in der Regel geeignete chemische Reaktanden und entsprechende Auslösemaßnahmen. ④ Kernenergie Anreize. Es verwendet die Spaltfragmente, hochenergetischen Teilchen oder Strahlung, die durch kleine Kernspaltungsreaktionen erzeugt werden, um das Arbeitsmaterial anzuregen und die Umkehrung der Anzahl der Teilchen zu realisieren. und erfordert in der Regel geeignete chemische Reaktanden und entsprechende Auslösemaßnahmen. ④ Kernenergie Anreize. Es verwendet die Spaltfragmente, hochenergetischen Teilchen oder Strahlung, die durch kleine Kernspaltungsreaktionen erzeugt werden, um das Arbeitsmaterial anzuregen und die Umkehrung der Anzahl der Teilchen zu realisieren.

Optische Kavität

Es besteht normalerweise aus zwei Spiegeln mit bestimmten geometrischen Formen und optischen Reflexionseigenschaften, die auf bestimmte Weise kombiniert werden. Die Funktionen sind wie folgt: ① Bereitstellung einer optischen Rückkopplungsfähigkeit, so dass die stimulierten Strahlungsphotonen mehrmals im Hohlraum hin und her gehen, um eine kohärente kontinuierliche Oszillation zu bilden. ② Begrenzen Sie die Richtung und Frequenz des hin- und hergehenden oszillierenden Strahls in der Kavität, um sicherzustellen, dass der Ausgangslaser eine bestimmte Richtung und Monochromatizität aufweist. Die Wirkung des Resonanzhohlraums ① wird durch die geometrische Form (Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche) und die relative Kombination der beiden Spiegel bestimmt, die normalerweise den Hohlraum bilden;