Підпишіться на наші соціальні мережі, щоб отримувати оперативні публікації
Лазери, наріжний камінь сучасних технологій, настільки ж захоплюючі, наскільки й складні. В їх основі лежить симфонія компонентів, які працюють в унісон для створення когерентного підсиленого світла. Цей блог заглиблюється в тонкощі цих компонентів, підкріплені науковими принципами та рівняннями, щоб забезпечити глибше розуміння лазерної технології.
Поглиблене розуміння компонентів лазерної системи: технічний погляд для професіоналів
| компонент | функція | Приклади |
| Посилення Середнє | Середовище посилення — це матеріал у лазері, який використовується для підсилення світла. Це полегшує посилення світла через процес інверсії населення та стимульованого випромінювання. Вибір середовища посилення визначає характеристики випромінювання лазера. | Твердотільні лазери: наприклад, Nd:YAG (легований неодимом ітрієвий алюмінієвий гранат), який використовується в медицині та промисловості.Газові лазери: наприклад, лазери CO2, які використовуються для різання та зварювання.Напівпровідникові лазери:наприклад, лазерні діоди, що використовуються у волоконно-оптичному зв'язку та лазерні покажчики. |
| Джерело накачування | Джерело накачування забезпечує енергією середовище підсилення для досягнення інверсії населеностей (джерело енергії для інверсії населеностей), уможливлюючи роботу лазера. | Оптична накачка: Використання інтенсивних джерел світла, таких як ліхтарики, для накачування твердотільних лазерів.Електрична насосна: Збудження газу в газових лазерах електричним струмом.Напівпровідникова накачка: Використання лазерних діодів для накачування середовища твердотільного лазера. |
| Оптична порожнина | Оптична порожнина, що складається з двох дзеркал, відбиває світло, щоб збільшити довжину шляху світла в середовищі підсилення, тим самим посилюючи світло. Він забезпечує механізм зворотного зв'язку для посилення лазера, вибираючи спектральні та просторові характеристики світла. | Площинно-площинна порожнина: Використовується в лабораторних дослідженнях, проста структура.Плоско-увігнута порожнина: поширений у промислових лазерах, забезпечує високоякісні промені. Кільцева порожнина: Використовується в спеціальних конструкціях кільцевих лазерів, наприклад у кільцевих газових лазерах. |
Середовище посилення: взаємозв’язок квантової механіки та оптичної інженерії
Квантова динаміка в середовищі посилення
Середовище підсилення – 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 населеностей. Критична залежність між інтенсивністю світла (I), початковою інтенсивністю (I0), поперечним перерізом переходу (σ21) і числами частинок на двох рівнях енергії (N2 і N1) описується рівнянням I = I0e^ (σ21(N2-N1)L). Досягнення інверсії населеності, де N2 > N1, має важливе значення для підсилення та є наріжним каменем лазерної фізики[1].
Трирівневі та чотирирівневі системи
У практичних конструкціях лазерів зазвичай використовуються трирівневі та чотирирівневі системи. Трирівневі системи, хоч і простіші, потребують більше енергії для досягнення інверсії населення, оскільки нижній лазерний рівень є основним станом. З іншого боку, чотирирівневі системи пропонують більш ефективний шлях до інверсії населення завдяки швидкому безвипромінювальному розпаду на вищому енергетичному рівні, що робить їх більш поширеними в сучасних лазерних застосуваннях [2].
Is Ербієве склосередня 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 рідкоземельний елемент, який, будучи включеним у скляну масу, може ефективно посилювати світло за допомогою стимульованого випромінювання, що є фундаментальним процесом у роботі лазера.
Скло, леговане ербієм, особливо відоме своїм використанням у волоконних лазерах і волоконних підсилювачах, особливо в телекомунікаційній галузі. Він добре підходить для цих застосувань, оскільки він ефективно підсилює світло на довжині хвилі близько 1550 нм, яка є ключовою довжиною хвилі для волоконно-оптичних комунікацій завдяки низьким втратам у стандартних кремнеземних волокнах.
Theербійіони поглинають світло насоса (часто від aлазерний 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 леговане ербієм скло ефективним і широко використовуваним середовищем підсилення в різних конструкціях лазерів і підсилювачів.
Пов'язані блоги: Новини - Ербієве скло: наука та застосування
Механізми накачування: рушійна сила лазерів
Різноманітні підходи до досягнення інверсії населення
Вибір механізму накачування є ключовим у проектуванні лазера, впливаючи на все, від ефективності до вихідної довжини хвилі. Оптичне накачування з використанням зовнішніх джерел світла, таких як лампи-спалахи чи інші лазери, поширене в твердотільних лазерах і лазерах на барвниках. Методи електричного розряду зазвичай використовуються в газових лазерах, тоді як у напівпровідникових лазерах часто використовується інжекція електронів. Ефективність цих механізмів накачування, особливо в твердотільних лазерах з діодним накачуванням, була в центрі уваги останніх досліджень, пропонуючи вищу ефективність і компактність[3].
Технічні міркування щодо ефективності перекачування
Ефективність процесу накачування є критично важливим аспектом конструкції лазера, що впливає на загальну продуктивність і придатність застосування. У твердотільних лазерах вибір між спалахами та лазерними діодами як джерелом накачування може істотно вплинути на ефективність системи, теплове навантаження та якість променя. Розробка потужних і високоефективних лазерних діодів зробила революцію в лазерних системах DPSS, створивши більш компактні та ефективні конструкції[4].
Оптичний резонатор: конструювання лазерного променя
Дизайн порожнини: Акт балансування фізики та техніки
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 моди та виходу лазера. Порожнина має бути сконструйована таким чином, щоб підвищити оптичне посилення при мінімізації втрат, що поєднує оптичну інженерію з хвильовою оптикою.5.
Умови коливань і вибір режиму
Для виникнення коливань лазера посилення, яке забезпечує середовище, повинно перевищувати втрати всередині резонатора. Ця умова в поєднанні з вимогою когерентної суперпозиції хвиль диктує підтримку лише певних поздовжніх мод. На відстань між модами та загальну структуру мод впливають фізична довжина резонатора та показник заломлення середовища посилення [6].
Висновок
Розробка та робота лазерних систем охоплює широкий спектр фізико-технічних принципів. Від квантової механіки, що керує середовищем підсилення, до складної конструкції оптичного резонатора, кожен компонент лазерної системи відіграє життєво важливу роль у її загальній функціональності. Ця стаття дає змогу зазирнути у складний світ лазерних технологій, пропонуючи ідеї, які перегукуються з передовим розумінням професорів та оптичних інженерів у цій галузі.
Список літератури
- 1. Зігман, А.Е. (1986). Лазери. Університетські наукові книги.
- 2. Свелто, О. (2010). Принципи роботи лазерів. Спрингер.
- 3. Кехнер, В. (2006). Твердотільна лазерна інженерія. Спрингер.
- 4. Пайпер, Дж.А., Мілдрен, Р.П. (2014). Твердотільні лазери з діодною накачкою. У Довіднику з лазерних технологій і застосувань (том III). CRC Press.
- 5. Мілонні, П.В., Еберлі, Дж.Х. (2010). Лазерна фізика. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Основи лазера. Cambridge University Press.
Час публікації: 27 листопада 2023 р