Підпишіться на наші соціальні мережі для оперативної публікації
Лазери, наріжний камінь сучасних технологій, настільки ж захопливі, наскільки й складні. В їхньому серці лежить симфонія компонентів, що працюють в унісон, щоб створювати когерентне, посилене світло. Цей блог заглиблюється в тонкощі роботи цих компонентів, спираючись на наукові принципи та рівняння, щоб забезпечити глибше розуміння лазерних технологій.
Розширений аналіз компонентів лазерних систем: технічна перспектива для професіоналів
| Компонент | Функція | Приклади |
| Середній коефіцієнт посилення | Підсилювальне середовище – це матеріал у лазері, який використовується для посилення світла. Воно сприяє посиленню світла за допомогою процесу інверсії населеності та вимушеного випромінювання. Вибір підсилювального середовища визначає характеристики випромінювання лазера. | Твердотільні лазеринаприклад, Nd:YAG (неодимом легований ітрій-алюмінієвий гранат), що використовується в медичних та промислових цілях.Газові лазеринаприклад, CO2-лазери, що використовуються для різання та зварювання.Напівпровідникові лазери:наприклад, лазерні діоди, що використовуються у волоконно-оптичному зв'язку та лазерних указках. |
| Джерело насосної | Джерело накачування забезпечує енергією середовище посилення для досягнення інверсії населеності (джерело енергії для інверсії населеності), що забезпечує роботу лазера. | Оптичне накачуванняВикористання інтенсивних джерел світла, таких як лампи-спалахи, для накачування твердотільних лазерів.Електричне насоснеЗбудження газу в газових лазерах за допомогою електричного струму.Напівпровідникове накачуванняВикористання лазерних діодів для накачування твердотільного лазерного середовища. |
| Оптична порожнина | Оптичний резонатор, що складається з двох дзеркал, відбиває світло, збільшуючи довжину його шляху в середовищі підсилення, тим самим покращуючи посилення світла. Він забезпечує механізм зворотного зв'язку для лазерного посилення, вибираючи спектральні та просторові характеристики світла. | Планарно-площинна порожнинаВикористовується в лабораторних дослідженнях, проста структура.Плоско-увігнута порожнинаПоширений у промислових лазерах, забезпечує високоякісні промені. Кільцева порожнинаВикористовується в певних конструкціях кільцевих лазерів, таких як кільцеві газові лазери. |
Посилення середовища: зв'язок квантової механіки та оптичної інженерії
Квантова динаміка в середовищі посилення
Середовище посилення — це місце, де відбувається фундаментальний процес посилення світла, явище, глибоко вкорінене в квантовій механіці. Взаємодія між енергетичними станами та частинками в середовищі регулюється принципами вимушеного випромінювання та інверсії населеності. Критичний зв'язок між інтенсивністю світла (I), початковою інтенсивністю (I0), перерізом переходу (σ²⁻¹) та кількістю частинок на двох енергетичних рівнях (N² та N²) описується рівнянням I = I0e^(σ²⁻¹(N²-N²)L). Досягнення інверсії населеності, де N² > N², є важливим для посилення та є наріжним каменем лазерної фізики.1].
Трирівневі та чотирирівневі системи
У практичних лазерних конструкціях зазвичай використовуються трирівневі та чотирирівневі системи. Трирівневі системи, хоча й простіші, потребують більше енергії для досягнення інверсії населеності, оскільки нижній лазерний рівень є основним станом. Чотирирівневі системи, з іншого боку, пропонують ефективніший шлях до інверсії населеності завдяки швидкому невипромінювальному розпаду з вищого енергетичного рівня, що робить їх більш поширеними в сучасних лазерних застосуваннях.2].
Is Скло, леговане ербіємсередовище посилення?
Так, скло, леговане ербієм, справді є типом підсилювального середовища, що використовується в лазерних системах. У цьому контексті «легування» стосується процесу додавання певної кількості іонів ербію (Er³⁺) до скла. Ербій – це рідкісноземельний елемент, який, будучи включеним до скляного матеріалу, може ефективно підсилювати світло за допомогою вимушеного випромінювання, фундаментального процесу в роботі лазера.
Скло, леговане ербієм, особливо відоме своїм використанням у волоконних лазерах та волоконних підсилювачах, особливо в телекомунікаційній галузі. Воно добре підходить для цих застосувань, оскільки ефективно підсилює світло на довжинах хвиль близько 1550 нм, що є ключовою довжиною хвилі для волоконно-оптичного зв'язку завдяки низьким втратам у стандартних кремнієвих волокнах.
Theербійіони поглинають світло накачування (часто відлазерний діод) і збуджуються до вищих енергетичних станів. Коли вони повертаються до нижчого енергетичного стану, вони випромінюють фотони на довжині хвилі лазерного випромінювання, сприяючи лазерному процесу. Це робить скло, леговане ербієм, ефективним та широко використовуваним середовищем для посилення в різних конструкціях лазерів та підсилювачів.
Пов’язані блоги: Новини - Скло, леговане ербієм: наука та застосування
Механізми накачування: рушійна сила лазерів
Різноманітні підходи до досягнення інверсії популяції
Вибір механізму накачування є ключовим у конструкції лазера, впливаючи на все, від ефективності до довжини хвилі випромінювання. Оптичне накачування з використанням зовнішніх джерел світла, таких як лампи-спалахи або інші лазери, є поширеним явищем у твердотільних лазерах та лазерах на барвниках. Методи електророзряду зазвичай використовуються в газових лазерах, тоді як напівпровідникові лазери часто використовують інжекцію електронів. Ефективність цих механізмів накачування, особливо в твердотільних лазерах з діодним накачуванням, була значним предметом останніх досліджень, пропонуючи вищу ефективність та компактність.3].
Технічні міркування щодо ефективності насосів
Ефективність процесу накачування є критичним аспектом проектування лазера, що впливає на загальну продуктивність та придатність до застосування. У твердотільних лазерах вибір між лампами-спалахами та лазерними діодами як джерелом накачування може суттєво вплинути на ефективність системи, теплове навантаження та якість променя. Розробка потужних, високоефективних лазерних діодів революціонізувала лазерні системи DPSS, забезпечивши більш компактні та ефективні конструкції.4].
Оптичний резонатор: розробка лазерного променя
Дизайн порожнини: балансування фізики та інженерії
Оптичний резонатор, або резонатор, є не просто пасивним компонентом, а активним учасником формування лазерного променя. Конструкція резонатора, включаючи кривизну та вирівнювання дзеркал, відіграє вирішальну роль у визначенні стабільності, структури мод та вихідної потужності лазера. Резонатор має бути розроблений таким чином, щоб збільшити оптичне посилення та мінімізувати втрати, що є завданням, яке поєднує оптичну техніку з хвильовою оптикою.5.
Умови коливань та вибір режиму
Для виникнення лазерних коливань коефіцієнт посилення, що забезпечується середовищем, має перевищувати втрати в резонаторі. Ця умова, у поєднанні з вимогою когерентної суперпозиції хвиль, диктує, що підтримуються лише певні поздовжні моди. Відстань між модами та загальна структура мод залежать від фізичної довжини резонатора та показника заломлення середовища посилення.6].
Висновок
Проектування та експлуатація лазерних систем охоплюють широкий спектр фізичних та інженерних принципів. Від квантової механіки, що керує середовищем підсилення, до складної інженерії оптичного резонатора, кожен компонент лазерної системи відіграє життєво важливу роль у її загальній функціональності. Ця стаття дала змогу зазирнути у складний світ лазерних технологій, пропонуючи розуміння, що резонує з передовим розумінням професорів та інженерів-оптиків у цій галузі.
Посилання
- 1. Зігман, А.Е. (1986). Лазери. Університетські наукові книги.
- 2. Свелто, О. (2010). Принципи лазерів. Springer.
- 3. Кехнер, В. (2006). Твердотільна лазерна техніка. Springer.
- 4. Пайпер, Дж. А. та Мілдрен, Р. П. (2014). Твердотільні лазери з діодним накачуванням. У Довіднику з лазерних технологій та застосувань (том III). CRC Press.
- 5. Мілонні, П.В. та Еберлі, Дж.Г. (2010). Лазерна фізика. Wiley.
- 6. Сільфваст, В.Т. (2004). Основи лазерної технології. Видавництво Кембриджського університету.
Час публікації: 27 листопада 2023 р.