Wat zijn de belangrijkste kerncomponenten van een laser?

Van de barcodescanners bij supermarkt kassa's tot de precisie chirurgische messen in ziekenhuizen, van de schitterende lichtshows op podia tot de vonken die opspatten bij het snijden van dikke stalen platen in fabrieken, lasers hebben elk aspect van het moderne leven doordrongen. En dit alles is ontstaan uit een apparaat dat licht kan "opwekken" en concentreren tot een krachtige energiebron - de laser. 
I. Energiebron: Pompbron
De pompbron is de "motor" van de laser. De kernfunctie is het leveren van energie aan de werkstof, wat de basis vormt voor de generatie van laserlicht. Net als een waterpomp water van een lager niveau naar een hoger niveau pompt, "pompt" de pompbron atomen of moleculen van een lager energieniveau naar een hoger energieniveau, waardoor een inversie van het deeltjesaantal ontstaat (dit is de sleutelvoorwaarde voor het genereren van laserlicht). 
Veelvoorkomende soorten pompbronnen zijn onder andere: 
Optische pomp: Gebruik van licht van een krachtige lichtbron (zoals een xenonlamp, een kryptonlamp) of een andere laser (zoals een laserdioden) om de werkstof te bestralen. Dit is de meest gebruikelijke methode die wordt gebruikt in solid-state lasers (zoals YAG-lasers). 
Elektro-pomp: Direct een elektrische stroom aanbrengen op de werkstof, waardoor deeltjes worden opgewekt door botsingen van elektronen. Dit is de belangrijkste pomp methode voor halfgeleiderlasers (laserdioden) en gaslasers (zoals CO₂ lasers). 
Chemische pomp: Gebruik van de energie die vrijkomt bij chemische reacties om deeltjes op te wekken, wat vaak wordt gebruikt in bepaalde hoogvermogen gaslasers. 
De prestaties van de pompbron bepalen direct de efficiëntie en het uitgangsvermogen van de laser. Het is de eerste stap in de lasergeneratie en is een cruciale stap. 
II. Lichtgevend Lichaam: Versterkingsmedium/Werkstof
Het versterkingsmedium, ook wel de werkstof genoemd, is het "hoofdpodium" van de laser en is waar de laser daadwerkelijk ontstaat. Het bepaalt de kerneigenschappen van de laser, zoals de uitgangsgolflengte (kleur) en het potentiële vermogen. 
Op basis van de aggregatietoestand worden ze voornamelijk in vier categorieën verdeeld: 
Gasvormige media: zoals kooldioxide (CO₂), helium-neon (He-Ne), argonionen (Ar⁺), etc. Ze kunnen continue en hoogwaardige laserstralen genereren en worden veel gebruikt bij snijden, medische behandelingen en wetenschappelijk onderzoek. 
Vloeibaar medium: Zoals organische oplosmiddelen gedoteerd met kleurstoffen. Het wordt gekenmerkt door het vermogen om de uitgangsgolflengte continu aan te passen binnen een bepaald bereik en wordt vaak gebruikt in spectroscopieonderzoek. 
Vaste media: Zoals neodymium-gedoteerd yttrium-aluminium-granaat (Nd:YAG), robijnkristallen of neodymiumglas. Ze hebben een stevige structuur en kunnen hoogvermogen, hoogenergetische laserpulsen genereren, waardoor ze de voorkeur hebben in industriële verwerking en militaire toepassingen. 
Halfgeleidermaterialen: zoals galliumarsenide (GaAs) en andere verbindingen. Ze hebben een klein formaat, een hoge efficiëntie en zijn gemakkelijk elektrisch te pompen. Ze zijn de absolute hoofdmacht op gebieden als optische communicatie, het lezen van optische schijven en laserprinten. 
Wanneer de deeltjes in het versterkingsmedium worden opgewekt door de pompbron, ondergaan ze het gestimuleerde emissieproces en geven ze nieuwe fotonen vrij die exact hetzelfde zijn als de invallende fotonen, waardoor optische versterking wordt bereikt. 
III. Resonerende Ziel: Optische Resonator
De optische resonator is de "kwaliteitsvormmachine" van een laser. Het bepaalt de directionaliteit en monochromaticiteit van de laser. Het bestaat meestal uit twee zorgvuldig geplaatste reflecterende spiegels die tegenover elkaar staan. Eén is een totale reflectiespiegel (met een reflectiepercentage van bijna 100%), en de andere is een gedeeltelijke reflectiespiegel (uitgangskoppelingsspiegel, met een reflectiepercentage van ongeveer 90% - 99%). 
De kernfuncties zijn drie: 
Positieve feedback: Het zorgt ervoor dat de fotonen die worden gegenereerd door gestimuleerde emissie herhaaldelijk reflecteren tussen twee spiegels, waardoor continu een kettingreactie-achtige gestimuleerde emissie wordt getriggerd, wat resulteert in een exponentiële toename van de lichtintensiteit. 
Modusselectie: Alleen de specifieke golflengten van licht die zich in de axiale richting voortplanten, kunnen stabiel oscilleren en sterk worden versterkt in de holte, wat de monochromaticiteit (kleurzuiverheid) van de laser aanzienlijk verbetert. 
Gerichte output: Uiteindelijk zal een deel van de extreem intense laser door de gedeeltelijke reflector worden uitgezonden, waardoor een sterk gecollimeerde en smal divergerende laserstraal ontstaat. 
Zonder een optische resonator zendt de werkstof slechts gewone fluorescentie uit met een willekeurige richting en variërende golflengten. Met een resonator hebben we echter de precieze en zuivere "laser" gesmeed die we zien. 
IV. Laatste Hand: Koel- en Regelsysteem
Voor de meeste lasertoestellen (vooral die met een gemiddeld tot hoog vermogen) is een koelsysteem onmisbaar. Het grootste deel van de energie die door de pompbron wordt ingevoerd, wordt omgezet in warmte, waardoor de temperatuur van het versterkingsmedium sterk stijgt, wat resulteert in prestatievermindering of zelfs schade. Een efficiënt koelsysteem (zoals waterkoeling, luchtkoeling of TEC-halfgeleiderkoeling) kan de stabiele en continue werking van de laser garanderen. 
Ondertussen is het regelsysteem de kern van de laser. Het gebruikt precieze circuits en software om de stroom van de pompbron te reguleren, de werking van het koelsysteem te regelen en kan componenten zoals Q-switches en modulatoren integreren om een precieze regeling van de laseruitgang te bereiken (zoals pulsbreedte en frequentie), om te voldoen aan de eisen van verschillende toepassingsscenario's. 
Samenvattend: de pompbron levert energie, het versterkingsmedium is verantwoordelijk voor lichtversterking, de optische resonator vormt de kwaliteit van de laser en de koel- en regelsystemen zorgen voor de stabiele werking ervan. Deze vier kerncomponenten zijn als een zeer gecoördineerd team, onmisbaar voor elkaar. Het is precies de naadloze samenwerking tussen hen die gewoon licht transformeert in een krachtig hulpmiddel dat in staat is de wereld te veranderen, en continu revolutionaire vooruitgang in technologie en industrie stimuleert.