Принцип работы лазерного уровня: что это, принцип действия устройства, как им пользоваться, критерии выбора нивелира, рейтинг лучших производителей

Особенности устройства

Главным преимуществом лазерного нивелира считается то, что он не имеет никакой привязки к горизонтальной плоскости. В этом ему заметно уступает оптический аналог, который дает менее точные результаты. Без лазерного уровня сложно возвести дверные проемы, стены, потолок, межкомнатные перегородки, подоконники и даже отопительные батареи. Современные модели также имеют встроенный маркер, помогающий при оклейке стен обоями и нанесении вертикальной разметки.

Уровни лазерного типа различаются по области эксплуатации:

• профессиональные;
• бытовые.

Бытовые устройства имеют встроенный диод, потому их можно применять на участках до десяти метров, снимая высокоточные показания. Чтобы произвести вычисления, прибору достаточно три-четыре секунды. Кроме того, некоторые модели оснащены дополнительными светящимися светодиодами. Они могут измерять и горизонталь, и вертикаль.

Уровни профессионального типа отличаются богатым функционалом. Погрешность при использовании такого нивелира будет меньше, нежели при использовании бытовых вариантов. Да и рабочий сектор у них в разы шире. Кроме того, профессиональные уровни надежно защищены от пыли и влаги.

Эксперты полагают, что предпочтение лучше отдавать лазерному нивелиру, так как это устройство может выстраивать и вертикальные, и горизонтальные, и даже наклонные линии. Однако такой прибор стоит довольно дорого.

Конструкция нивелира

Этот прибор оснащен корпусом из прочного пластика, который защищает его от пыли, грязи и влаги. Для нормальной работы устройства, ему требуется специальный штатив или ровная поверхность.

В настоящее время различают две разновидности лазерных уровней:

1. Плазменные модели. В них встроены специальные призмы, через которые проходит свет диодов. Количество линий зависит от количества этих самых призм. К примеру, нивелир с двумя призмами будет выдавать вертикальную и горизонтальную линию. Приборы этой группы чаще всего применяются в быту, потому что они характеризуются небольшой дальностью светового луча.
2. Ротационные нивелиры. Это оборудование уже считается профессиональным и используется в сфере масштабного строительства. Большая дальность лучей обусловлена работой вращающегося диода, проектирующего свет.

Ротационные уровни, как правило, обладают большим функционалом, нежели плазменные. Эти устройства позволяют обозначать круговые сектора и производить разравнивание дверных проемов. Однако, широкий выбор функций, конечно же, влияет на цену устройства.

Существует и еще один тип строительных уровней — точечный. Но он не очень удобен в применении.

Как выбрать лазерный уровень

Для того, чтобы выбрать лазерный нивелир, следует руководствоваться целями, которым должен отвечать уровень строительный лазерный самовыравнивающийся. Это достаточно дорогостоящее оборудование, и по мере роста его функционала растет и стоимость. Соответственно, неразумно тратить деньги на покупку прибора, многие функции которого просто не пригодятся в работе. В процессе выбора нужно обратить внимание на целый ряд критериев:

1. Дальность действия. В зависимости от модели этот показатель варьируется от нескольких единиц до нескольких десятков метров. Кроме того, от этой характеристики во многом зависит быстрота разряда батареек. Если устройство будет применяться в быту, то не нужно гнаться за повышенной дальностью. Совсем иное дело, если запланирована работа на большой площади.
2. Разновидность лазерного луча. Самый оптимальный вариант — выбрать лазерный уровень с зеленым лазером, так как он лучше всего воспринимается человеческим глазом. Устройства с лучом красного цвета отличаются меньшей ценой, но могут быть неудобны при ярком освещении. Как вариант — использование специальных приемников или очков, которые улучшают видимость формируемых точек и линий. Кроме того, очки также выполняют защитную функцию.
3. Погрешность. Чем выше точность устройства, тем лучше. Однако идеального оборудования, к сожалению, пока еще не изобретено. Этот показатель определяется миллиметрами на один метр удаления от устройства.

Существуют и другие критерии выбора. В любом случае, тут все зависит от сферы использования нивелира.

Как пользоваться лазерным уровнем: советы мастера

Удобные лазерные нивелиры, позволяющие идеально точно производить разметку, охотно приобретают и профессионалы, и мастера-любители. Ведь ровные яркие линии, нарисованные лазером, отлично видны даже на большом расстоянии. Но у человека без опыта может возникнуть вопрос, как пользоваться лазерным уровнем правильно. Читайте об этом в данной статье.

Что нужно сделать перед началом работы

Перед тем как приступать к использованию прибора вы должны четко разделять с каким типом лазерных нивелиров вам предстоит работать. Хотя если вы сами покупали данный прибор, то знать об этом вы должны были еще на этапе выбора лазерного уровня. 

Все лазерные уровни можно разделить на:

Статические построители линий (другие названия — кросслайнер или мультипризменный построитель).

Ротационные построители линий (другие названия — многопризменный построитель, нивелир).

Статические построители осей (другие названия — указатель, точечный лазер).

В принципе, большинство производителей пишут в инструкции (обычно прилагаемой в комплекте), как подготовить прибор к работе. Как правило, никаких особых «танцев с бубном» не требуется – всё просто и понятно.

• Если модель нивелира аккумуляторного типа, то перед ее использованием требуется зарядить аккумулятор.
• Если устройство работает на батарейках, то вставляем их в отсек для питания.
• Проверяем работоспособность уровня, включив его. Если появился луч лазера, то всё в порядке. Можно начинать установку прибора.

Как привести лазерный уровень в рабочее положение

Это важно – качество разметки напрямую зависит от того, насколько верно расположен лазерный нивелир. Поэтому нужно и место подходящее для него найти, и установить его надлежащим образом. Существует ряд требований, необходимых для полноценной работы прибора:

Шаг 1. На пути следования лучей лазера не должно быть никаких препятствий. Иначе эффект преломления приведет к прерыванию спроецированной линии.

Шаг 2. Располагать лазерный уровень нужно на оптимальном расстоянии до объекта. Допустимый максимум указан в инструкции, и превышать его не следует. Уменьшение расстояния снижает вероятность погрешности, поэтому при возможности старайтесь ставить прибор поближе. Допустимый максимум может быть увеличен при использовании специального приемника лучей. Такой опцией пользуются, когда объект находится на большом расстоянии.

Шаг 3. Во время работы нивелир должен находиться на ровной плоскости (подойдет поверхность стола), штативе или специальном держателе. Его следует надежно зафиксировать , так как полная неподвижность прибора – гарантия получения точных данных. Не допускаются никакие сотрясения и перемещения.

Шаг 4. Перед началом измерений выравниваем нивелир по горизонту. Для этого используем встроенный в прибор пузырьковый уровень. У ряда моделей имеется функция самовыравнивания. Она действует так: до тех пор, пока прибор не будет стоять ровно, подается сигнал. Нет сигнала – значит, всё хорошо и прибор установлен ровно.

Шаг 5. Предварительно нужно предупредить находящихся поблизости людей о предстоящих работах. Животных тоже следует увести или унести. Ведь случайное попадание лазера в глаза может их травмировать.

Шаг 6. Вот, собственно, и все рекомендации. Когда они будут соблюдены, можно включать уровень и производить необходимые работы.

Как настраивать лазерный нивелир

В инструкции, прилагаемой к устройству, тоже имеется информация о том, как правильно настроить прибор. Производитель описывает этот процесс довольно-таки подробно, но не всегда понятно. В общем-то, настройка лазерного уровня – процедура, стандартная для большинства моделей.

Начнем с самых простых нивелиров. Обычно у них имеется два или три пузырьковых уровня – по ним и следует настраивать данные приборы. Осуществляется это путем подкручивания винтов.

Впрочем, даже если прибор оснащен функцией самовыравнивания, то это не значит, что он действительно выравнивает себя сам. Это произойдет лишь при крохотном отклонении – не более 10 — 15 градусов. Когда поверхность более неровная, приходится вручную подкручивать винты (как и при работе с простейшим устройством).

Лазерный уровень призменного типа позволяет при работе создать два луча, проецирующих на объект вертикальную и горизонтальную линии. Они могут излучаться одновременно, а также есть возможность выбрать лишь один из них. Кроме того, некоторые модели создают линии отвеса и лазерные точки (зенит, надир). Их тоже можно включать и отключать.

А ротационный лазерный нивелир, кроме вышеперечисленных, имеет еще две настройки. Это величина угла сканирования и скорость вращения луча лазера. При этом проецирует луч он только в одной плоскости, но некоторые модели могут проецировать вертикальную ось.

Профессионалы, давая советы, как работать с лазерным уровнем, рекомендуют при его использовании включать лишь необходимые в данный момент функции. К примеру, когда проверяется, насколько вертикален проем двери, вовсе ни к чему горизонтальная составляющая. Вполне можно оставить только вертикальный луч – так и батарея дольше продержится, и энергии меньше израсходуется.

Дополнительные приспособления, облегчающие работу с нивелиром

Приемник лазерных лучей — увеличиваем дальность лазерного луча

Приемник лазерного излучения может вас очень выручить, если вы работаете на улице. С ним вы увидите отчетливую проекцию луча даже при слепящем солнечном свете. Причем расстояние, на которое «достает» лазер, увеличится вдвое. Только покупайте и лазерный уровень, и приемник одного производителя, а то бывают случаи несовместимости устройств разных марок.

Если ваш нивелир не предназначен для работы с приемником, то и в этом случае можно найти выход из положения. Есть совсем простое устройство – отражательная пластина. Закрепив ее на объекте, можно получить некоторое увеличение дальности луча.

Мишень — попадаем точно в цель

Мишень — нехитрый аксессуар, который имеется в комплекте практически у всех лазерных уровней. Пластиковая пластинка с нарисованными на ней концентрическими кругами выглядит точно так же, как и бумажные мишени для стрельбы, выдаваемые в тире. Ведь цель обе эти мишени преследуют одну – попасть в «яблочко». Ну, а стрелять можно не только пулями, а лучом лазера.

Очень пригодится такая штука, когда расстояние между нивелиром и объектом достаточно большое. Например, нужно сделать отверстие в стене на несколько сантиметров выше, чем в противоположной, при этом расстояние между стенами составляет метров 40-50. Попробуй разгляди на таком расстоянии следы карандаша или маркера! Если же закрепить вместо этого мишень, то прицелиться в нее лучом не составит труда. Даже если стреляющий не отличается особой меткостью.

Есть в комплекте у некоторых нивелиров еще одно приспособление, улучшающее точность лазерного «выстрела». Это своеобразный оптический прицел, находящийся на корпусе прибора. Он называется оптическим визиром, и с его помощью можно легко «достать» цель даже на стометровом расстоянии.

Рейка — чертим идеально ровные линии

Рейка пригодится тогда, когда на поверхности объекта нужно провести несколько параллельных линий, расстояние между которыми одинаковое. А еще с помощью рейки изменяют высоту уровня, закрепленного на штативе. Затем ему можно вернуть первоначальное положение.

Лазерный нивелир на практике: несколько конкретных примеров использования

Спросив у опытного мастера, как использовать лазерный уровень, можно узнать, что применять этот прибор можно практически повсюду. И границами, определяющими возможности его использования, являются границы вашей фантазии. А теперь – немного конкретики.

Выравниваем поверхность — вертикальная проекция

Именно данная область применения наглядно показывает, насколько устарели всевозможные линейки, рулетки и уровни пузырькового типа.

Чтобы узнать, насколько ровные ваш пол или стены, надо вдоль их поверхности направить лазерный луч. При этом вдоль стены (если проверяем стену) ставим несколько контрольных меток.

Линия, прочерченная лучом, покажет отклонение от вертикали в каждой метке. В соответствии с этими данными подбираем толщину выравнивающего слоя во всех контрольных точках.

Применение при отделке кафельной плиткой — крестовая проекция

Включаем оба луча – вертикальный и горизонтальный. Пересекаясь, они проецируют крест на стене объекта. Совмещаем центр этого креста с центральными швами у плитки, которую кладем. А по линиям лазерных лучей выравниваем стороны плитки.

Построение наклонных плоскостей

Далеко не все элементы дома состоят лишь из горизонтальных и вертикальных линий. Порой дизайнеру хочется поэкспериментировать и с плоскостями, расположенными под наклоном. При осуществлении таких смелых проектов лазерный уровень придется как нельзя кстати. Прочитайте внимательно инструкцию к своему прибору, и вы поймете, как заставить луч идти под углом.

В тех нивелирах, где используется система автоматического выравнивания, необходимо включить блокировку данной системы. Некоторые уровни оснащаются системой автоматического изменения угла наклона луча. К примеру, если отключить блокировку компенсации наклона, то вполне возможно закрепить нивелир на штативе под тем углом, который требуется. Лазерный луч будет идти под наклоном.

Клеим обои и прочие декоративные элементы

И для этой несложной операции пригодится лазерный уровень. Так, включив вертикальный луч, мы сможем легко выровнять вертикальную кромку обоев. А горизонтальный луч поможет сделать идеальный бордюр, который без применения инструмента часто получается кривоватым.

Устанавливаем мебель и встраиваем бытовую технику

Неровно висящая полка или навесной шкафчик способны причинить немало огорчений – они весь вид комнаты портят. Конечно, можно перевесить их, пользуясь обычным пузырьковым уровнем или даже линейкой. Но это долго и хлопотно. То ли дело – лазерный нивелир. Он и шкаф поможет ровно установить, и карниз повесить, и встраиваемую технику точно расположить. Главное – делается всё это очень быстро.

Монтаж перегородок и планировка помещений

Имея лазерный уровень, можно за короткое время «перекроить» помещение. Чтобы разметить расположение перегородок, не придется брать стремянку или ползать по полу. Достаточно сделать проекцию лазерного луча в том месте, где будет находиться будущая перегородка.

Применение при осуществлении измерений

Непосредственно измерить что-либо нивелиром не получится. Зато он может существенно облегчить и ускорить эту работу. Возьмем, к примеру, комнату, стены у которой не являются вертикальными. Если нужно узнать ее высоту, возникает проблема – вдоль стены этого не сделать. Неплохо использовать лазерный дальномер, но его может и не быть.

Если имеется лазерный уровень, который проецирует линию отвеса, то он тоже может помочь. Получив при этом две точки – на полу и потолке – мы берем рулетку или линейку и замеряем расстояние между ними. Получается весьма точная высота помещения.

Помним о безопасности

Казалось бы, что может быть опасного в такой безобидной вещи. Однако мощность лазерного луча, используемого в данном приборе, достаточно велика . Иначе мы не увидим его днем, при свете солнца. Поэтому помните, что луч не должен попадать в глаза людям или животным. А во время работы всегда надевайте защитные очки – с ними, кстати, и луч лучше видно.

Если вы заметили ошибку, не рабочее видео или ссылку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Принципы работы лазера

Принципы работа лазера

В В лазерах фотоны взаимодействуют с атомами тремя способами:

• Поглощение излучения
• Спонтанный выброс
• Стимулированный выброс

Поглощение излучения

Поглощение из излучение — это процесс, при котором электроны в земле государство поглощает энергию от фотонов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.

электроны вращающиеся очень близко к ядру, имеют более низкую энергию уровень или более низкое энергетическое состояние, в то время как электроны вращаются по орбите дальше от ядра находятся на более высоком энергетическом уровне. Электронам на более низком энергетическом уровне нужна дополнительная энергия. прыгнуть на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия обеспечивается от различных источников энергии, таких как тепло, электрическая поле или свет.

Пусть Рассмотрим два уровня энергии (E ₁ и E ₂ ) электронов. E ₁ — основное состояние или ниже энергетическое состояние электронов и E ₂ — возбужденное состояние или более высокое энергетическое состояние электронов. Электроны в основное состояние называется электронами с более низкой энергией или основным состояние электронов, тогда как электроны в возбужденном состоянии называемые электронами более высокой энергии или возбужденными электронами.

В в общем, электроны в состоянии с более низкой энергией не могут прыгать в более высокое энергетическое состояние. Им нужно достаточно энергии в порядок перехода в более высокое энергетическое состояние.

Когда фотонов или световой энергии, равной разности энергий два энергетических уровня (E ₂ — E ₁ ) на атоме, электроны в основном состоянии получают достаточную энергию и прыгают из основного состояния (E ₁ ) в возбужденное состояние (E ₂ ).

поглощение излучения или света возникает только в том случае, если энергия падающего фотон точно соответствует разнице энергий двух уровни (E ₂ — E ₁ ).

Спонтанный выброс

Спонтанный выброс это процесс, посредством которого электроны в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние, испуская фотоны.

электроны в возбужденном состоянии может находиться лишь на короткое время. В время, до которого возбужденный электрон может оставаться на более высокой энергии состояние (E ₂ ) известно как время жизни возбужденного электроны. Время жизни электронов в возбужденном состоянии 10 ^-8 второй.

Таким образом, после короткого времени жизни возбужденных электронов они возвращаются в более низкое энергетическое состояние или основное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов.

В спонтанный излучения электроны движутся естественным или самопроизвольным образом из одно состояние (более высокое энергетическое состояние) в другое состояние (более низкая энергия состояние), поэтому испускание фотонов также происходит естественным образом. Следовательно, мы не можем контролировать, когда возбужденный электрон теряет энергию в виде света.

фотоны, испускаемые в процессе спонтанного излучения, составляют обычный некогерентный свет.Некогерентный свет — это луч фотоны с частыми и случайными изменениями фазы между их. Другими словами, фотоны, испускаемые в спонтанном выбросы не протекают точно в одном направлении падающие фотоны.

Стимулированный выброс

Стимулированный выброс это процесс взаимодействия падающего фотона с возбужденный электрон и заставляет его вернуться в основное состояние.

В стимулированный излучения, световая энергия подается непосредственно к возбужденному электрон вместо подачи световой энергии в основное состояние электроны.

В отличие от спонтанное излучение, вынужденное излучение не является естественный процесс это искусственный процесс.

В спонтанный эмиссии, электроны в возбужденном состоянии останутся там пока не закончится его жизнь.По завершении своей жизни они возвращаются в основное состояние, высвобождая энергию в форма света.

Однако при вынужденном излучении электроны в возбужденном состоянии не нужно ждать завершения их жизни. Альтернатива используется для принудительного возврата возбужденного электрона в основное состояние до завершения их срока службы.Эта техника известна как вынужденное излучение.

Когда инцидент фотон взаимодействует с возбужденным электроном, он заставляет возбужденный электрон, чтобы вернуться в основное состояние. Это взволновало электрон выделяет энергию в виде света при падении на основное состояние.

В стимулированное излучение, испускаются два фотона (один дополнительный фотон испускается), один из-за падающего фотона а еще один связан с выделением энергии возбужденных электрон.Таким образом испускаются два фотона.

стимулированный процесс эмиссии очень быстрый по сравнению со спонтанным эмиссионный процесс.

Все испускаемые фотоны при вынужденном излучении имеют одинаковые энергии, той же частоты и синфазны. Поэтому все фотоны в вынужденном излучении перемещаются в том же направление.

количество фотонов, испускаемых в стимулированном излучении, зависит от числа электронов на более высоком уровне энергии или возбужденное состояние и интенсивность падающего света.

Это можно записать как:

Количество выпущенных фотоны α Количество электронов в возбужденном состоянии + падающий свет интенсивность.

— Инструментальные средства

Наименее распространенной формой измерения уровня на основе эхо-сигналов является лазер, который использует импульсы лазерного света, отраженные от поверхности жидкости, для определения уровня жидкости. Возможно, самым ограничивающим фактором при лазерных измерениях является необходимость иметь достаточно отражающую поверхность, чтобы лазерный свет «отражался» от нее. Многие жидкости недостаточно отражают, чтобы это можно было использовать на практике, а наличие пыли или густых паров в пространстве между лазером и жидкостью рассеивает свет, ослабляя световой сигнал и делая уровень более трудным для обнаружения.Однако лазеры с большим успехом применялись для измерения расстояний между объектами.

Принцип измерения лазерного уровня:

Лазерные преобразователи, используемые для измерения уровня, в основном работают по тому же принципу, что и ультразвуковые датчики уровня. Единственное различие между двумя методами заключается в том, что в первом используется скорость света, а во втором — скорость звуковых волн. Лазерные устройства измерения уровня могут работать с различными материалами, такими как сыпучие вещества, суспензии и непрозрачные жидкости, такие как грязные отстойники, молоко, жидкий стирол и т. Д.Как и ультразвуковой датчик, в верхней части резервуара также установлен лазерный излучатель, который затем направляет короткий световой импульс в направлении вниз к поверхности технологической жидкости. Затем этот свет отражается обратно на датчик. Система измерения включает в себя схему синхронизации, которая используется для определения времени, которое требуется световому сигналу для возврата обратно и, следовательно, определяет расстояние между датчиком и обрабатываемым материалом. Рисунок, изображающий работу типичного лазерного уровнемера, показан на рисунке ниже.

Кредиты изображений: Система автоматизации Chipkin

Преимущества лазерного измерения уровня:

• “Лазеры практически не имеют разброса луча (расходимость луча 0,2 °) и ложных эхо-сигналов, и могут быть направлены через пространство размером до 2 дюймов.
Измерительные преобразователи
• Laser могут обеспечивать точные результаты даже в процессах с использованием тяжелых паров и пены.
• Удобно использовать с судами, имеющими несколько блокад.Более того, эти устройства могут работать на расстояниях до 1500 футов.
• «Для приложений с высокой температурой или высоким давлением, например, в корпусах реакторов, лазеры должны использоваться в сочетании со специальными смотровыми окнами, чтобы изолировать преобразователь от процесса. Эти стеклянные окна должны пропускать лазерный луч с минимальным рассеиванием и ослаблением и должны соответствовать условиям процесса ».
• По сравнению с ультразвуковыми и микроволновыми волнами, длина световых волн очень мала, из-за чего они не испытывают виртуального расхождения луча, следовательно, лазерный луч может быть наведен на точку без какого-либо вмешательства со стороны ближайших объектов.
• «Лазерное излучение распространяется через среду со скоростью света. Это означает, что достижимы очень высокие частоты обновления без каких-либо проблем с «синхронизацией», которые могут возникнуть при использовании ультразвуковых инструментов ».
• Лазерное измерение уровня абсолютно не зависит от давления или температуры среды, например воздуха. Следовательно, скорость света, проходящего через любую газовую среду, совершенно не меняется. Даже в приложениях измерения уровня, связанных с неидентифицированными и часто меняющимися газами, такими как бензин или газовые баллоны, лазерные уровнемеры обеспечивают точные результаты без проблем с калибровкой.
• По сравнению с другими методами измерения уровня, такими как ультразвуковые, радиолокационные, ядерные или механические методы, лазерная техника считается высоко технологически развитой.
Преобразователи уровня
• Laser обеспечивают очень быстрый и точный отклик, чем другие методы. К тому же их проще применять.
• В отличие от радарных уровнемеров и ультразвуковых уровнемеров, на характеристики лазерных уровнемеров не влияет диэлектрическая проницаемость обрабатываемого материала или скорость распространения в паровом пространстве соответственно.
• Лазерный луч, передаваемый датчиком, не претерпевает большого расхождения, поэтому он может нацеливаться и обнаруживать меньшие области по сравнению с радарными и ультразвуковыми устройствами измерения уровня.
• Кроме того, лазерные уровнемеры могут применяться в областях, где другие технологии измерения уровня не работают, например, внутри желоба бункера.

Недостатки лазерных уровнемеров:

• Использование лазерных методов измерения уровня очень дорого.
• Сила лазерного луча, передаваемого между лазерным уровнемером и обрабатываемым материалом, иногда может снижаться, из-за чего может пострадать работа системы определения уровня. Это ухудшение может происходить на любом из трех этапов: на датчике / детекторе, при переходе между датчиком и обрабатываемым материалом или на поверхности обрабатываемого материала.
• Присутствие грязи, пыли или любого другого покрытия на лазерном уровнемере может серьезно повлиять на работу этих устройств, так как ослабляет мощность лазерного сигнала.Следовательно, плановое обслуживание необходимо проводить осторожно, чтобы предотвратить накопление отложений и отложений с течением времени, а также обеспечить надлежащее функционирование лазерных устройств измерения уровня. Для некоторых приложений эти датчики могут быть заключены в трубку или очищены газом, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии.
• Кроме того, их точность также может зависеть от поверхности обрабатываемого материала, которая отражает лазерный луч обратно к датчику. «Например, лазерный луч, вероятно, будет измерять верхнюю часть слоя пены, отражаясь от верхней части пены.Если пена прозрачна для лазерной энергии, луч может отражаться от границы раздела пена / жидкость и измерять уровень жидкости. Полупрозрачная пена может привести к тому, что измерение уровня будет отображать место внутри пены.
• Состояние пены обычно меняется со временем и приводит к несогласованным показаниям измерения уровня.

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О компании RF Wireless World

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Узнать больше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система чистоты туалетов самолета. • Система измерения столкновения • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Система интеллектуальной парковки на основе Zigbee. • Система интеллектуальной парковки на основе LoRaWAN

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ >>.

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Которые используются в беспроводной связи. Читать дальше➤

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в одном канале, ЭМ помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Руководство по основам 5G Полосы частот руководство по миллиметровым волнам Волновая рамка 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Тестовое оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

Этот учебник GSM охватывает основы GSM, архитектуру сети, элементы сети, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура кадров GSM или иерархия кадров, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы мобильного телефона, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF фильтра ➤VSAT Система ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤Основы волновода

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤ Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в волоконно-оптической связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Рамочная конструкция ➤SONET против SDH

Поставщики и производители беспроводных радиочастотных устройств

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных компонентов, систем и подсистем RF для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, микросхема индуктивности, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: Часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

RF Калькуляторы и преобразователи беспроводной связи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц. Это касается беспроводных технологий, таких как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤ Калькулятор антенны Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Учебники

Различные типы датчиков

Поделиться страницей

Перевести

Принципы действия лазера

Основные принципы создания лазеров

Мы уже обсуждали свойства лазеров в предыдущем разделе. В этом разделе мы намерены описать основные принципы создания лазера. Чтобы понять основы работы лазера, мы должны рассмотреть такие важные термины, как поглощение и потери, вынужденное излучение, спонтанное излучение, обратная связь и т. Д.

Поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение

Как мы все знаем, атомы и молекулы могут существовать только в определенных энергетических состояниях.Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием; все другие состояния имеют больше энергии, чем основное состояние, и называются возбужденными состояниями. Каждое возбужденное состояние, которых много, имеет фиксированное количество энергии сверх основного состояния. В обычных условиях почти все атомы и молекулы находятся в своих основных состояниях. Для двухуровневой атомной системы возможны три типа процессов. В первом случае приходящий фотон переводит атомную систему из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией.Это называется абсорбцией или иногда стимулированной абсорбцией . Это называется стимулированным поглощением, потому что атомы поглощают падающую энергию только на определенных частотах. Вынужденное поглощение происходит, когда фотон ударяет по атому с точно такой энергией, чтобы вызвать электронный переход между двумя энергетическими состояниями. В случае, если широкополосный свет падает на данную двухуровневую атомную систему, мы можем наблюдать, что весь спектр не поглощается, а только определенные дискретные линии поглощаются в зависимости от разницы в их уровнях энергии.Этот процесс уменьшает население нижнего уровня и в процессе увеличивает население верхнего уровня. Населенность или количество атомов в состояниях E ₁ и E ₂ в любой момент времени будет N ₁ и N ₂ соответственно. Когда излучение проходит через материал, оно поглощается в соответствии с:

(1) I _x = I ₀ e- ^αx

Где I _x — яркость после прохождения расстояния x через материал с коэффициентом поглощения как a, а I ₀ — начальная интенсивность света. Поглощение зависит от разности населенностей между N ₁ и N ₂ и показателя преломления среды.

Скорость стимулированного всасывания, R ₁₂ (абс), от уровня 1 до 2 определяется как:

(2) R ₁₂ (абс.) = B ₁₂ N ₁ ρ

Где B ₁₂ — коэффициент Эйнштейна для стимулированного поглощения и имеет единицы измерения: см ³ / с ² Дж, N ₁ — это населенность в основном состоянии, а ρ — плотность энергии на единицу частоты входящие фотоны.

После того, как атом или молекула будут созданы в возбужденном состоянии, существует вероятность, что они снова испустят излучение и вернутся в состояние с более низкой энергией. Это состояние с более низкой энергией может быть либо основным состоянием, либо еще одним из возбужденных состояний, но с более низким уровнем энергии. В процессе испускается фотон. В этом процессе излучения, когда атомы самопроизвольно переходят в состояние с более низкой энергией посредством излучения фотона, называется спонтанным излучением или флуоресценцией.Этот процесс излучения является случайным, и излучаемый свет исчезает во всех направлениях, а волновые свойства света случайным образом расходятся друг с другом и, следовательно, некогерентны.

Скорость спонтанного излучения, R ₂₁ (spon) , от уровня 2 до 1 определяется как:

(3) R ₂₁ (спон) = A ₂₁ N ₂

Можно заметить, что этот спонтанный распад верхнего уровня происходит в отсутствие электромагнитного поля и скорость пропорциональна населенности этого уровня и, таким образом, не зависит от интенсивности источника возбуждения. Это чисто статистическое явление, связанное со временем и пространством и зависящее от времени жизни возбужденного состояния. Если время жизни перехода очень велико, это считается запрещенным переходом.

Возбужденные атомы могут терять свою энергию не только из-за спонтанного излучения, но также из-за индуцированного или стимулированного излучения, поэтому выходное излучение системы состоит из спонтанных и вынужденных излучений.Вероятность стимулированного излучения пропорциональна интенсивности плотности энергии внешнего излучения, и индуцированное излучение имеет твердую фазовую связь с ним, в отличие от спонтанного излучения. Поскольку спонтанные фотоны не имеют фазовых отношений друг с другом, выходной сигнал некогерентен. Но стимулированное излучение имеет ту же фазу, направление, спектральные и поляризационные свойства, что и стимулирующее поле, и оба неотличимы во всех аспектах. Следовательно, выходной сигнал лазера когерентный.Фактически, именно это вынужденное излучение при определенных условиях, как объяснялось в предыдущем разделе, выходит из лазерного устройства как лазер.

Скорость стимулированного излучения, ₂₁ (стим), от уровня 2 до 1 определяется как:

(4) R ₂₁ (стим) = B ₂₁ N ₂ ρ

Где B ₂₁ — коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения и имеет размеры, как m ³ / с ² Дж, N ₂ — населенность в возбужденном состоянии, а ρ — плотность энергии на единицу частоты запускающие фотоны.

Рассматривая идеальный материал только с двумя невырожденными энергетическими уровнями, где происходит поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение, можно прийти к следующему выводу.

Поглощение = спонтанное излучение + стимулированное излучение

(5) то есть B ₁₂ N ₁ r (n) = A ₂₁ N ₂ + B ₂₁ N ₂ r

Эта ситуация показана на рисунке.

Рис. 1: Спонтанные и моделируемые процессы в двухуровневой системе

В любом конкретном случае при нормальных обстоятельствах могут возникать как стимулированные, так и спонтанные выбросы, но вероятность стимулированного излучения довольно мала. Это отношение спонтанного излучения к вынужденному можно определить с помощью одного из следующих уравнений:

, где ρ — плотность энергии излучения, равная Nhn , N — количество фотонов с частотой n на единицу объема и k — постоянная Больцмана.Рассматривая случай обычной лампы, имеющей температуру нити накала около 5000 К и излучающую излучение в диапазоне длин волн 0,6 микрона, соответствующем частоте 5 x 10 ¹⁴ Гц, , вероятность стимулированного излучения составляет примерно одну сотую вероятности спонтанного излучения. эмиссия. При более низких температурах это было бы даже на порядки меньше.

Отношение вероятности спонтанного излучения к индуцированному зависит непосредственно от частоты излучения или обратно пропорционально длине волны. Таким образом, в микроволновом диапазоне вынужденное излучение более вероятно, чем спонтанное, отсюда и раннее создание мазера. В оптической области спонтанное излучение более вероятно, чем вынужденное излучение, и это ухудшается по мере того, как мы переходим в УФ и рентгеновские области спектра.

При тепловом равновесии населенность N ₂ и N ₁ уровней E ₂ и E ₁ соответственно регулируется тем, что скорость восходящих переходов должна быть равна скорости нисходящих переходов.

Плотность заселенности атомов N ₁ и N ₂ на основном уровне E ₁ и возбужденном состоянии E ₂ можно оценить с использованием соотношения Больцмана следующим образом:

Поскольку, (E ₂ — E ₁ ) / kT всегда положительно, независимо от значения температуры T, N ₂ должно быть меньше N ₁ , если система остается в тепловом равновесии. Максимум населенность возбужденного состояния N ₂ (t) достигает стационарного состояния при t → ∞, и наибольшая доля атомов, которые могут существовать в возбужденном состоянии N ₂ / N _всего

Вышеприведенное обсуждение означает, что в двухуровневой системе количество атомов в возбужденном состоянии никогда не может превышать количество в основном состоянии и, следовательно, никогда не может работать как лазер.Если система должна действовать как лазер, падающий фотон должен иметь более высокую вероятность вызвать вынужденное излучение, чем его поглощение, то есть скорость вынужденного излучения должна превышать скорость поглощения. Другими словами, действие лазера возможно только при N ₂ > N ₁ . Это неравновесное состояние известно как инверсия населенностей.

Прежде чем мы обсудим методы инверсии населенностей и лазерного воздействия, это еще несколько важных моментов, связанных с поглощением, спонтанным излучением и стимулированным излучением:

• В случае спонтанного излучения фотона вероятность его излучения обратно пропорциональна средней продолжительности времени, в течение которого атом может находиться на верхнем уровне перехода, прежде чем он релаксирует.Это время известно как СПОНТАННАЯ ЖИЗНЬ. Обычно самопроизвольное время жизни составляет порядка 10 ^-8 — 10 ^-9 сек. Чем короче спонтанное время жизни, тем больше вероятность возникновения спонтанного излучения.
• В некоторых материалах есть уровни энергии, спонтанное время жизни которых составляет от микросекунд до нескольких миллисекунд. Эти уровни известны как метастабильные уровни. Вероятность переходов с участием метастабильных уровней относительно невысока.
• По мере того как вероятность спонтанного излучения уменьшается, условия, благоприятствующие стимулированному излучению, улучшаются. Если атом переводится в метастабильное состояние, он может оставаться там достаточно долго, чтобы прибыл фотон правильной частоты. Такая ситуация способствует стимулированному излучению за счет спонтанного излучения.
• В случае вынужденного излучения атомы на верхнем энергетическом уровне могут запускаться или стимулироваться в фазе входящим фотоном определенной энергии.Падающий фотон должен иметь энергию, соответствующую разнице энергий между верхним и нижним состояниями. Испускаемые фотоны имеют ту же энергию, что и падающий фотон. Эти фотоны находятся в фазе с запускающим фотоном и также движутся в его направлении.
• Для стимулированных процессов, таких как стимулированное поглощение или стимулированное излучение, требуются входящие фотоны правильной частоты, тогда как спонтанное излучение может иметь место и в отсутствие входящего фотона.
• Спонтанное излучение полностью изотропно.С другой стороны, стимулированные процессы имеют встроенное предпочтение излучению в направлении падающего потока фотонов.

Инверсия населенности и работа лазера

Как обсуждалось выше, всякий раз, когда свет падает на материал, возникает конкуренция между процессами поглощения, спонтанного излучения и стимулированного излучения. В нормальных условиях равновесия населенность различных уровней определяется соотношением Больцмана, и, таким образом, N ₂ всегда будет меньше, чем N ₁ .Кроме того, вынужденное излучение фотонов намного меньше, чем спонтанное излучение и поглощение фотонов. Чтобы система работала как лазер, необходимо, чтобы вынужденное излучение превышало поглощение фотонов; это приводит нас к следующим двум условиям:

1. N ₂ > N ₁ : т.е. инверсия населения
2. Согласно уравнению (6) или (7) значение ρ (плотность энергии излучения, равная Nhn) должно быть как можно большим.

Первое условие не может быть достигнуто в условиях теплового равновесия. Это означает, что для создания инверсии населенностей необходимо искать систему нетеплового равновесия и, следовательно, необходимость в специальных лазерных материалах.

Второе условие, которое требует более высокого значения r, требует использования дополнительного источника большого количества энергии с правильной длиной волны для возбуждения желаемого перехода. Этот процесс известен как перекачка. Различные методы включают оптические, электрические, химические, газодинамические и т. Д.

Инверсия населенности является основным условием, но сама по себе недостаточна для создания лазера. Поскольку помимо спонтанного излучения существуют определенные потери излучаемых фотонов внутри самого материала, необходимо подумать о геометрии, которая может преодолеть эти потери, и получить общий выигрыш. Для этого требуется оптический резонатор или резонатор.

Принцип работы лазера такой. Предположим, мы можем произвести большое количество атомов в возбужденных состояниях.Если один из атомов испускается спонтанно, то испускаемый фотон будет стимулировать испускание других атомов. Эти испускаемые фотоны, в свою очередь, будут стимулировать дальнейшее излучение. Результатом будет мощный всплеск когерентного излучения.

Эти вопросы обсуждались ниже:

Рис. 2: Базовая лазерная система

Типичная лазерная система показана на рисунке 2 выше. Он состоит из трех основных частей.

• Активная среда с подходящим набором уровней энергии для поддержки лазерного воздействия.
• Источник энергии накачки для установления инверсной населенности.
• Оптический резонатор или резонатор для введения оптической обратной связи и, таким образом, поддержания коэффициента усиления системы, преодолевая все потери.

Краткое описание каждого из вышеперечисленных компонентов и их основные функции приведены ниже.

1. Активная лазерная среда или среда усиления: Лазерная среда является сердцем лазерной системы и отвечает за получение усиления и последующую генерацию лазера.Это может быть кристалл, твердое тело, жидкость, полупроводник или газ, и его можно перекачивать в более высокое энергетическое состояние. Материал должен быть контролируемой чистоты, размера и формы и иметь подходящие уровни энергии для поддержки инверсии населенностей. Другими словами, он должен иметь метастабильное состояние, чтобы поддерживать стимулированное излучение. Большинство лазеров основано на трех- или четырехуровневой системе уровней энергии, в зависимости от среды, в которой используется лазер. Эти системы показаны на фиг. 3a и 3b. В случае трехуровневого лазера материал накачивается с уровня 1 на уровень 3, который быстро спадает до уровня 2 за счет спонтанного излучения.Уровень 2 является метастабильным и способствует стимулированному излучению от уровня 2 до уровня 1.

   Рис. 3 (а)

   С другой стороны, в четырехуровневом лазере материал накачивается до уровня 4, который является быстро распадающимся уровнем, и атомы быстро распадаются до уровня 3, который является метастабильным уровнем. Вынужденное излучение происходит с уровня 3 на уровень 2, откуда атомы распадаются обратно на уровень 1. Четырехуровневые лазеры являются усовершенствованием системы, основанной на трехуровневых системах.В этом случае лазерный переход происходит между третьим и вторым возбужденными состояниями. Поскольку нижний лазерный уровень 2 является быстро затухающим уровнем, он обеспечивает быстрое опустошение и, таким образом, всегда поддерживает условие инверсии населенности.

   Рис. 3 (б)

2. Механизм возбуждения или накачки: Поглощение энергии атомами, электронами, ионами или молекулами, в зависимости от случая, активной среды является основным условием генерации лазера.Чтобы возбудить эти элементы до более высоких уровней энергии, необходим механизм возбуждения или накачки. Хорошо известно, что в состоянии равновесия, согласно условиям Больцмана, более высокие энергетические уровни гораздо менее заселены, чем более низкие энергетические уровни. Одно из требований лазерного воздействия — инверсия населенностей соответствующих уровней. т.е. иметь большее население на верхних уровнях, чем на нижних. В противном случае поглощение будет преобладать за счет стимулированного излучения. Доступны различные типы механизмов возбуждения или накачки, наиболее часто используемые — это оптические, электрические, термические или химические методы, что зависит от типа используемой усиливающей среды лазера.Например, в твердотельных лазерах обычно используется оптическая накачка от высокоэнергетических ксеноновых ламп-вспышек (например, рубиновых, Nd: YAG) или от второго лазера накачки или массива лазерных диодов (например, зеленые лазеры с удвоенной частотой DPSS). В газовых лазерах используется электрический разряд переменного или постоянного тока через газовую среду или внешнее высокочастотное возбуждение, бомбардировку электронным пучком или химическую реакцию. Электрический разряд постоянного тока наиболее распространен для «малых» газовых лазеров (например, гелий-неоновых, ионных аргоновых и т. Д.). Постоянный ток чаще всего накачивает ток полупроводниковых лазеров.Жидкие лазеры (лазеры на красителях) обычно имеют оптическую накачку.
3. Оптический резонатор: Оптический резонатор играет очень важную роль в генерации выходного сигнала лазера, обеспечивая высокую направленность лазерного луча, а также обеспечивая усиление в активной среде для преодоления потерь из-за рассеивания фотонов от лазерной среды, дифракционные потери из-за определенных размеров зеркал, радиационные потери внутри активной среды из-за поглощения и рассеяния и т. д.Чтобы поддерживать лазерное воздействие, необходимо ограничить лазерную среду и механизм накачки особым образом, который должен способствовать стимулированному излучению, а не спонтанному излучению. На практике фотоны должны быть ограничены в системе, чтобы количество фотонов, создаваемых вынужденным излучением, превышало все другие механизмы. Это достигается путем ограничения лазерной среды между двумя зеркалами, как показано на рисунке 2. На одном конце активной среды находится зеркало с высоким коэффициентом отражения (100% -ное отражение) или заднее зеркало, а на другом конце — частично отражающее или пропускающее зеркало. или выходной соединитель.Лазер исходит из выходного соединителя, так как он частично пропускающий. Стимулированные фотоны могут отскакивать назад и вперед вдоль полости, создавая более стимулированное излучение при движении. При этом теряются фотоны с неправильной частотой или не движущиеся вдоль оптической оси.

Лазерное действие

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом вызывает поглощение и спонтанное излучение. Поглощение и спонтанное излучение — естественные процессы.Для генерации лазера необходимо стимулированное излучение. Стимулированное излучение должно быть индуцировано или стимулировано и генерируется в особых условиях, как было заявлено Эйнштейном в его знаменитой статье 1917 г., т.е. «когда существует инверсия населенности между верхним и нижним уровнями атомных систем, можно реализовать усиленное стимулированное излучение и вынужденное излучение имеет ту же частоту и фазу, что и падающее излучение «. Эйнштейн комбинировал планку? закон со статистикой Больцмана при формулировке концепции вынужденного излучения.В электронных, атомных, молекулярных или ионных системах верхние энергетические уровни менее заселены, чем нижние энергетические уровни в условиях равновесия. Механизм накачки возбуждает, скажем, атомы на более высокий энергетический уровень за счет поглощения (рис. 3а и 3б).

Атом остается на более высоком уровне в течение некоторого времени и спонтанно распадается на более низкий стабильный основной уровень, испуская фотон, длина волны которого определяется разницей между верхним и нижним уровнями энергии. Это называется естественным или спонтанным излучением, а фотон — спонтанным фотоном.Спонтанное излучение или флуоресценция не имеет предпочтительного направления, а испускаемые фотоны не имеют фазовых соотношений друг с другом, что приводит к некогерентному световому выходу (рис.4). Но не обязательно, чтобы атом всегда переводился в основное состояние. Он может перейти в промежуточное состояние, называемое метастабильным состоянием с менее радиационным переходом, где он остается в течение гораздо более длительного периода, чем верхний уровень, и опускается на нижний уровень или в основное состояние. Поскольку период пребывания атомов в метастабильном состоянии велик, можно иметь гораздо большее количество атомов на метастабильном уровне по сравнению с нижним уровнем, так что заселенность метастабильного состояния и нижнего или основного состояния меняется на противоположное.т.е. на верхнем метастабильном уровне больше атомов, чем на нижнем. Это состояние называется инверсией населенности. Как только это будет достигнуто, лазерное воздействие инициируется следующим образом. Атом в метастабильном состоянии переходит в основное состояние, излучающее фотон. Этот фотон может стимулировать атом в метастабильном состоянии высвободить свой фотон в фазе с ним. Освободившийся фотон называется стимулированным фотоном. Он движется в том же направлении, что и инициирующий фотон, имеет ту же длину волны и поляризацию и находится в фазе с ним, что обеспечивает усиление.Поскольку существует большое количество инициирующих фотонов, он формирует поле инициирующего электромагнитного излучения. Возникает лавина стимулированных фотонов, поскольку фотоны, движущиеся по длине активной среды, стимулируют ряд возбужденных атомов в метастабильном состоянии к высвобождению своих фотонов. Это называется стимулированным излучением. Эти фотоны полностью отражаются задним отражателем (100% -ное отражение), и количество и, следовательно, интенсивность стимулированных фотонов увеличивается по мере их прохождения через активную среду, тем самым увеличивая интенсивность поля излучения стимулированного излучения.На выходном ответвителе часть этих фотонов отражается, а остальная часть передается в виде выходного сигнала лазера. Это действие повторяется, и отраженные фотоны после попадания в заднее зеркало достигают выходного ответвителя на обратном пути. Интенсивность лазерного излучения увеличивается по мере продолжения накачки. Когда входная энергия накачки уменьшается, доступные инициирующие и впоследствии стимулированные фотоны значительно уменьшаются, и коэффициент усиления системы не может преодолеть потери, поэтому выход лазера прекращается.Поскольку процесс стимуляции был запущен инициирующими фотонами, излучаемые фотоны могут когерентно объединяться, так как все они находятся в фазе друг с другом, в отличие от случая спонтанного излучения и излучения когерентного лазерного света (рис.5). Хотя действие лазера будет продолжаться до тех пор, пока энергия поступает в активную среду, можно сказать, что импульсный лазер получается, если инверсия населенностей доступна в переходном режиме, и лазер непрерывного действия (CW) возможен, если инверсия населенностей поддерживается на постоянной основе.Если входная энергия задается, скажем, лампой-вспышкой, выходной сигнал будет импульсным, а лазер называется импульсным лазером. Если можно достичь равновесия между числом испускаемых фотонов и числом атомов на метастабильном уровне с помощью накачки дуговой лампой непрерывного действия вместо лампы-вспышки, то можно получить непрерывный выход лазера, который называется лазером непрерывного действия. .

Мы можем сделать вывод, что лазерному воздействию предшествуют три процесса, а именно: поглощение, спонтанное излучение и стимулированное излучение — поглощение энергии для заселения верхних уровней, спонтанное излучение для производства начальных фотонов для стимуляции и, наконец, вынужденное излучение для генерации когерентных выход или лазер.

Этот веб-сайт не предназначен для предоставления полных уравнений скорости, связанных с генерацией лазера; только основные черты того же самого были приведены выше.

Список литературы

• W. K. Koechner, Solid State Laser Engineering, Spriger-Verlag, London
• Принцип работы лазеров
• Основы работы с лазером
• Sam’s laser FAQ
• Википедия