Какие основные компоненты лазера?

От сканеров штрих-кодов на кассах супермаркетов до прецизионных хирургических ножей в больницах, от ослепительных световых шоу на сценах до искр, летящих при резке толстых стальных листов на заводах, лазеры проникли во все аспекты современной жизни. И все это произошло от устройства, которое может "возбуждать" свет и концентрировать его в мощный источник энергии - лазер. 
I. Источник энергии: источник накачки
Источник накачки - это "двигатель" лазера. Его основная функция - обеспечивать энергией рабочее вещество, закладывая основу для генерации лазера. Подобно тому, как водяной насос поднимает воду с более низкого уровня на более высокий, источник накачки "перекачивает" атомы или молекулы с более низкого энергетического уровня на более высокий, создавая инверсию населенности (это ключевое условие для генерации лазера). 
Распространенные типы источников накачки включают: 
Оптическая накачка: Использование света от мощного источника света (например, ксеноновой лампы, криптоновой лампы) или другого лазера (например, лазерного диода) для облучения рабочего вещества. Это наиболее распространенный метод, используемый в твердотельных лазерах (например, YAG-лазерах). 
Электро-накачка: Непосредственное приложение электрического тока к рабочему веществу, вызывающее возбуждение частиц посредством столкновений электронов. Это основной метод накачки для полупроводниковых лазеров (лазерных диодов) и газовых лазеров (например, CO₂ лазеров). 
Химическая накачка: Использование энергии, выделяемой химическими реакциями, для возбуждения частиц, что обычно используется в некоторых мощных газовых лазерах. 
Производительность источника накачки напрямую определяет эффективность и выходную мощность лазера. Это первый шаг в генерации лазера и является решающим. 
II. Светоизлучающее тело: активная среда/рабочее вещество
Активная среда, также известная как рабочее вещество, является "главной сценой" лазера и именно здесь лазер фактически возникает. Она определяет основные характеристики лазера, такие как выходная длина волны (цвет) и потенциальная мощность. 
В зависимости от состояния вещества, они в основном делятся на четыре категории: 
Газообразные среды: такие как диоксид углерода (CO₂), гелий-неон (He-Ne), ионы аргона (Ar⁺) и т. д. Они могут генерировать непрерывные и высококачественные лазерные лучи и широко используются в резке, медицинском лечении и научных исследованиях. 
Жидкая среда: такая как органические растворители, легированные красителями. Она характеризуется способностью непрерывно регулировать выходную длину волны в определенном диапазоне и обычно используется в спектроскопических исследованиях. 
Твердые среды: такие как иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG), рубиновые кристаллы или неодимовое стекло. Они имеют прочную структуру и могут генерировать мощные, высокоэнергетические лазерные импульсы, что делает их предпочтительным выбором в промышленной обработке и военных приложениях. 
Полупроводниковые материалы: такие как арсенид галлия (GaAs) и другие соединения. Они имеют небольшие размеры, высокую эффективность и легко возбуждаются электрически. Они являются абсолютной основной силой в таких областях, как оптическая связь, чтение оптических дисков и лазерная печать. 
Когда частицы в активной среде возбуждаются источником накачки, они подвергаются процессу вынужденного излучения и высвобождают новые фотоны, которые точно такие же, как падающие фотоны, тем самым достигая оптического усиления. 
III. Резонансная душа: оптический резонатор
Оптический резонатор - это "машина для ковки качества" лазера. Он определяет направленность и монохроматичность лазера. Обычно он состоит из двух тщательно расположенных отражающих зеркал, обращенных друг к другу. Одно - зеркало полного отражения (со степенью отражения, близкой к 100%), а другое - зеркало частичного отражения (зеркало вывода, со степенью отражения примерно 90% - 99%). 
Его основные функции три: 
Положительная обратная связь: Она заставляет фотоны, генерируемые вынужденным излучением, многократно отражаться между двумя зеркалами, непрерывно запуская цепную реакцию, подобную вынужденному излучению, что приводит к экспоненциальному увеличению интенсивности света. 
Выбор моды: Только определенные длины волн света, которые распространяются вдоль осевого направления, могут стабильно колебаться и значительно усиливаться внутри полости, что значительно улучшает монохроматичность (чистоту цвета) лазера. 
Направленный выход: В конечном итоге часть чрезвычайно интенсивного лазера будет передаваться через частичный отражатель, образуя высококоллимированный и узко расходящийся лазерный луч. 
Без оптического резонатора рабочее вещество просто излучает обычную флуоресценцию случайного направления и изменяющихся длин волн. Однако с ним мы создали точный и чистый "лазер", который мы видим. 
IV. Последние штрихи: система охлаждения и управления
Для большинства лазерных устройств (особенно тех, которые имеют среднюю или высокую мощность) система охлаждения незаменима. Большая часть энергии, вводимой источником накачки, преобразуется в тепло, вызывая резкое повышение температуры активной среды, что приводит к ухудшению производительности или даже повреждению. Эффективная система охлаждения (например, водяное охлаждение, воздушное охлаждение или полупроводниковое охлаждение TEC) может обеспечить стабильную и непрерывную работу лазера. 
Между тем, система управления является ядром лазера. Она использует точные схемы и программное обеспечение для регулирования тока источника накачки, управления работой системы охлаждения и может интегрировать такие компоненты, как Q-переключатели и модуляторы, для достижения точного управления выходным сигналом лазера (например, шириной и частотой импульса), чтобы соответствовать требованиям различных сценариев применения. 
В заключение, источник накачки обеспечивает энергию, активная среда отвечает за усиление света, оптический резонатор формирует качество лазера, а системы охлаждения и управления обеспечивают его стабильную работу. Эти четыре основных компонента подобны хорошо скоординированной команде, незаменимой друг для друга. Именно слаженное сотрудничество между ними превращает обычный свет в мощный инструмент, способный изменить мир, постоянно стимулируя революционный прогресс в технологиях и промышленности.