Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Lasery, kamień węgielny nowoczesnej technologii, są równie fascynujące, co złożone. W ich sercu leży symfonia komponentów pracujących w unisonie, aby wytwarzać spójne, wzmocnione światło. Ten blog zagłębia się w zawiłości tych komponentów, wspierane przez zasady naukowe i równania, aby zapewnić głębsze zrozumienie technologii laserowej.
Zaawansowane spostrzeżenia na temat komponentów systemów laserowych: perspektywa techniczna dla profesjonalistów
| Część | Funkcjonować | Przykłady |
| Średni zysk | Medium wzmacniające to materiał w laserze używany do wzmacniania światła. Ułatwia wzmacnianie światła poprzez proces inwersji obsady i wymuszonej emisji. Wybór medium wzmacniającego determinuje charakterystykę promieniowania lasera. | Lasery półprzewodnikowe: np. Nd:YAG (granat itrowo-glinowy z domieszką neodymu), stosowany w zastosowaniach medycznych i przemysłowych.Lasery gazowe: np. lasery CO2, stosowane do cięcia i spawania.Lasery półprzewodnikowe:np. diody laserowe, stosowane w komunikacji światłowodowej i wskaźnikach laserowych. |
| Źródło pompowania | Źródło pompujące dostarcza energię do ośrodka wzmacniającego w celu uzyskania inwersji obsady (źródło energii dla inwersji obsady), umożliwiając działanie lasera. | Pompowanie optyczne:Wykorzystywanie intensywnych źródeł światła, takich jak lampy błyskowe, do pompowania laserów ciała stałego.Pompowanie elektryczne:Wzbudzanie gazu w laserach gazowych za pomocą prądu elektrycznego.Pompowanie półprzewodników:Wykorzystywanie diod laserowych do pompowania ośrodka laserowego w ciele stałym. |
| Komora optyczna | Komora optyczna składająca się z dwóch luster odbija światło, aby zwiększyć długość drogi światła w ośrodku wzmocnienia, zwiększając w ten sposób wzmocnienie światła. Zapewnia mechanizm sprzężenia zwrotnego do wzmocnienia laserowego, wybierając charakterystyki widmowe i przestrzenne światła. | Jama płaska-płaska:Stosowany w badaniach laboratoryjnych, prosta konstrukcja.Wnęka płasko-wklęsła:Powszechny w laserach przemysłowych, zapewnia wiązkę wysokiej jakości. Wnęka pierścieniowa:Stosowany w określonych projektach laserów pierścieniowych, np. laserów gazowych pierścieniowych. |
Medium zysku: połączenie mechaniki kwantowej i inżynierii optycznej
Dynamika kwantowa w ośrodku wzmocnienia
Medium wzmocnienia to miejsce, w którym zachodzi podstawowy proces wzmacniania światła, zjawisko głęboko zakorzenione w mechanice kwantowej. Interakcja między stanami energetycznymi i cząsteczkami w medium jest regulowana przez zasady wymuszonej emisji i inwersji obsady. Krytyczny związek między intensywnością światła (I), intensywnością początkową (I0), przekrojem czynnym przejścia (σ21) i liczbą cząstek na dwóch poziomach energetycznych (N2 i N1) jest opisany równaniem I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Osiągnięcie inwersji obsady, gdzie N2 > N1, jest niezbędne do wzmocnienia i stanowi kamień węgielny fizyki laserów[1].
Systemy trzypoziomowe i czteropoziomowe
W praktycznych projektach laserowych powszechnie stosuje się systemy trzypoziomowe i czteropoziomowe. Systemy trzypoziomowe, choć prostsze, wymagają więcej energii do osiągnięcia inwersji populacji, ponieważ niższy poziom lasera jest stanem podstawowym. Z drugiej strony systemy czteropoziomowe oferują bardziej efektywną drogę do inwersji populacji ze względu na szybki nieradiacyjny rozpad z wyższego poziomu energii, co czyni je bardziej rozpowszechnionymi w nowoczesnych zastosowaniach laserowych[2].
Is Szkło domieszkowane erbemośrodek wzmocnienia?
Tak, szkło domieszkowane erbem jest rzeczywiście rodzajem ośrodka wzmacniającego stosowanego w systemach laserowych. W tym kontekście „domieszkowanie” odnosi się do procesu dodawania określonej ilości jonów erbu (Er³⁺) do szkła. Erb jest pierwiastkiem ziem rzadkich, który po włączeniu do szklanego gospodarza może skutecznie wzmacniać światło poprzez emisję wymuszoną, co jest podstawowym procesem w działaniu lasera.
Szkło domieszkowane erbem jest szczególnie znane ze względu na zastosowanie w laserach światłowodowych i wzmacniaczach światłowodowych, zwłaszcza w przemyśle telekomunikacyjnym. Jest dobrze przystosowane do tych zastosowań, ponieważ skutecznie wzmacnia światło o długościach fal około 1550 nm, co jest kluczową długością fali dla komunikacji światłowodowej ze względu na niską stratę w standardowych włóknach krzemionkowych.
Tenerbjony pochłaniają światło pompujące (często zdioda laserowa) i są pobudzane do wyższych stanów energetycznych. Kiedy wracają do niższego stanu energetycznego, emitują fotony o długości fali laserowej, przyczyniając się do procesu laserowego. To sprawia, że szkło domieszkowane erbem jest skutecznym i szeroko stosowanym ośrodkiem wzmocnienia w różnych projektach laserów i wzmacniaczy.
Powiązane blogi: Aktualności - Szkło domieszkowane erbem: nauka i zastosowania
Mechanizmy pompujące: siła napędowa laserów
Różne podejścia do osiągnięcia inwersji populacji
Wybór mechanizmu pompującego jest kluczowy w projektowaniu lasera, wpływając na wszystko, od wydajności po długość fali wyjściowej. Pompowanie optyczne, wykorzystujące zewnętrzne źródła światła, takie jak lampy błyskowe lub inne lasery, jest powszechne w laserach półprzewodnikowych i barwnikowych. Metody wyładowań elektrycznych są zwykle stosowane w laserach gazowych, podczas gdy lasery półprzewodnikowe często wykorzystują wtrysk elektronów. Wydajność tych mechanizmów pompujących, szczególnie w laserach półprzewodnikowych pompowanych diodami, była znaczącym przedmiotem ostatnich badań, oferując wyższą wydajność i zwartość[3].
Rozważania techniczne dotyczące efektywności pompowania
Wydajność procesu pompowania jest krytycznym aspektem konstrukcji lasera, wpływającym na ogólną wydajność i przydatność do zastosowania. W laserach półprzewodnikowych wybór między lampami błyskowymi a diodami laserowymi jako źródłem pompowania może znacząco wpłynąć na wydajność systemu, obciążenie termiczne i jakość wiązki. Rozwój diod laserowych o dużej mocy i wysokiej wydajności zrewolucjonizował systemy laserowe DPSS, umożliwiając bardziej kompaktowe i wydajne projekty[4].
Komora optyczna: projektowanie wiązki laserowej
Projektowanie wnęk: akt równowagi między fizyką a inżynierią
Komora optyczna, czyli rezonator, nie jest tylko pasywnym elementem, ale aktywnym uczestnikiem kształtowania wiązki laserowej. Konstrukcja komory, w tym krzywizna i ustawienie luster, odgrywa kluczową rolę w określaniu stabilności, struktury modowej i mocy wyjściowej lasera. Komora musi być zaprojektowana tak, aby zwiększyć wzmocnienie optyczne przy jednoczesnym zminimalizowaniu strat, co stanowi wyzwanie łączące inżynierię optyczną z optyką falową.5.
Warunki oscylacji i wybór trybu
Aby wystąpiła oscylacja lasera, wzmocnienie zapewniane przez medium musi przekraczać straty w jamie. Ten warunek, w połączeniu z wymogiem koherentnej superpozycji fal, dyktuje, że obsługiwane są tylko niektóre mody podłużne. Odstępy między modami i ogólna struktura modów zależą od fizycznej długości jamy i współczynnika załamania światła ośrodka wzmocnienia.6].
Wniosek
Projektowanie i działanie systemów laserowych obejmuje szerokie spektrum zasad fizyki i inżynierii. Od mechaniki kwantowej rządzącej ośrodkiem wzmocnienia po skomplikowaną inżynierię wnęki optycznej, każdy komponent systemu laserowego odgrywa istotną rolę w jego ogólnej funkcjonalności. Niniejszy artykuł daje wgląd w złożony świat technologii laserowej, oferując spostrzeżenia, które rezonują z zaawansowaną wiedzą profesorów i inżynierów optycznych w tej dziedzinie.
Odniesienia
- 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Uniwersyteckie książki naukowe.
- 2. Svelto, O. (2010). Zasady laserów. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Inżynieria laserów półprzewodnikowych. Springer.
- 4. Piper, JA i Mildren, RP (2014). Diode Pumped Solid State Lasers. W Handbook of Laser Technology and Applications (Vol. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Fizyka laserowa. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Podstawy lasera. Cambridge University Press.
Czas publikacji: 27-11-2023