Quali sono i componenti principali di un laser?

Dagli scanner di codici a barre ai banchi dei supermercati ai coltelli chirurgici di precisione negli ospedali,Dalle luci abbaglianti sui palchi alle scintille che volano mentre le spesse lastre d'acciaio vengono tagliate nelle fabbricheE tutto questo ha avuto origine da un dispositivo che può "eccitare" la luce e concentrarla in una potente fonte di energia: il laser.
I. Fonte di energia: Fonte pompa
La fonte di pompa è il "motore" del laser, il cui compito principale è quello di fornire energia alla sostanza di lavoro, gettando le basi per la generazione del laser.Proprio come una pompa d'acqua attira l' acqua da un livello inferiore a un livello superiore, la fonte di pompa "pompa" atomi o molecole da un livello di energia inferiore a un livello di energia superiore, creando un'inversione del numero di particelle (questo è la condizione chiave per generare il laser).
I tipi comuni di fonti di pompaggio sono:
Pompaggio ottico: utilizzo della luce proveniente da una fonte luminosa potente (come una lampada a xenon, una lampada al krypton) o da un altro laser (come un diodo laser) per irradiare la sostanza attiva.Questo è il metodo più comune utilizzato nei laser a stato solido (come i laser YAG).
Elettro-pompaggio: applicazione diretta di una corrente elettrica alla sostanza di lavoro, causando eccitazione delle particelle attraverso collisioni di elettroni.Questo è il principale metodo di pompaggio per i laser a semiconduttori (diodi laser) e i laser a gas (come i laser a CO2).
Pompaggio chimico: utilizzo dell'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per eccitare le particelle, che è comunemente impiegato in alcuni laser a gas ad alta potenza.
Le prestazioni della sorgente di pompaggio determinano direttamente l'efficienza e la potenza di uscita del laser.
II. Corpo luminoso: media di guadagno/sostanza attiva
Il mezzo di guadagno, noto anche come sostanza attiva, è il "stadio principale" del laser ed è il luogo in cui il laser ha effettivamente origine.come la lunghezza d'onda di uscita (colore) e potenza potenziale.
In base allo stato della materia, sono principalmente suddivisi in quattro categorie:
Mezzi gassosi: come l'anidride carbonica (CO2), l'elio-neone (He-Ne), gli ioni argon (Ar+), ecc. Possono generare raggi laser continui e di alta qualità e sono ampiamente utilizzati nel taglio,trattamento medico e ricerca scientifica.
Medio liquido: come i solventi organici dopati con coloranti, caratterizzato dalla capacità di regolare continuamente la lunghezza d'onda di uscita entro un certo intervallo,e viene comunemente utilizzato nella ricerca di spettroscopia.
Medi solidi: come il granato di alluminio di itrio dopato con neodimio (Nd:YAG), i cristalli di rubino o il vetro di neodimio.rendendoli la scelta preferita nella trasformazione industriale e nelle applicazioni militari.
Materiali semiconduttori: come l'arsenuro di gallio (GaAs) e altri composti.Sono la forza dominante assoluta in campi come la comunicazione ottica., lettura dei dischi ottici e stampa laser.
Quando le particelle nel mezzo di guadagno sono eccitate dalla fonte della pompa, subiranno il processo di emissione stimolata e rilasceranno nuovi fotoni che sono esattamente uguali ai fotoni incidente,ottenendo così l'amplificazione ottica.
III. Anima risonante: risonatore ottico
Il risonatore ottico è la "macchina di forgiatura di qualità" di un laser, che determina la direzionalità e la monocromaticità del laser.Di solito è composto da due specchi riflettenti accuratamente posizionati uno di fronte all'altroUno è uno specchio a riflessione totale (con una percentuale di riflessione vicina al 100%) e l'altro è uno specchio a riflessione parziale (specchio di accoppiamento di uscita, con una percentuale di riflessione di circa il 90% - 99%).
Le sue funzioni principali sono tre:
Feedback positivo: provoca che i fotoni generati dall'emissione stimolata si riflettano ripetutamente tra due specchi, innescando continuamente una reazione a catena simile all'emissione stimolata,risultante in un aumento esponenziale dell'intensità luminosa.
Selezione del modo: solo le lunghezze d'onda specifiche della luce che si propagano lungo la direzione assiale possono oscillare in modo stabile e essere notevolmente amplificate all'interno della cavità,che migliora significativamente la monocromaticità (purezza del colore) del laser.
Uscita diretta: alla fine, una parte del laser estremamente intenso sarà trasmessa attraverso il riflettore parziale, formando un raggio laser altamente collimato e strettamente divergente.
Senza un risonatore ottico, la sostanza attiva emette soltanto una fluorescenza ordinaria di direzione casuale e lunghezze d'onda variabili.Abbiamo forgiato il laser preciso e puro che vediamo.
IV. Ultimi tocchi: sistema di raffreddamento e controllo
Per la maggior parte dei dispositivi laser (soprattutto quelli di potenza media-alta) è indispensabile un sistema di raffreddamento.causando un forte aumento della temperatura del mezzo di guadagnoUn sistema di raffreddamento efficiente (come il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddamento ad acqua, il raffreddo TEC di raffreddamento dei semiconduttori) può garantire il funzionamento stabile e continuo del laser.
Nel frattempo, il sistema di controllo è il nucleo del laser, usa circuiti e software precisi per regolare la corrente della fonte della pompa, controllare il funzionamento del sistema di raffreddamento,e possono integrare componenti come interruttori Q e modulatori per ottenere un controllo preciso dell'uscita laser (come larghezza e frequenza dell'impulso), al fine di soddisfare i requisiti di vari scenari di applicazione.
In sintesi, la fonte di pompa fornisce energia, il mezzo di guadagno è responsabile dell'amplificazione della luce, il risonatore ottico modella la qualità del laser,e i sistemi di raffreddamento e di controllo assicurano il suo funzionamento stabileQueste quattro componenti fondamentali sono come una squadra altamente coordinata, indispensabili l'una all'altra.È proprio la cooperazione senza soluzione di continuità che trasforma la luce ordinaria in uno strumento potente in grado di cambiare il mondo., guidando continuamente il progresso rivoluzionario nella tecnologia e nell'industria.