Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Lasery, kamień węgielny nowoczesnej technologii, są równie fascynujące, co złożone. W ich sercu leży symfonia komponentów, które działają harmonijnie, wytwarzając spójne, wzmocnione światło. Ten blog zgłębia zawiłości tych komponentów, opierając się na naukowych zasadach i równaniach, aby zapewnić głębsze zrozumienie technologii laserowej.
Zaawansowane informacje na temat komponentów systemów laserowych: perspektywa techniczna dla profesjonalistów
| Część | Funkcjonować | Przykłady |
| Średni zysk | Ośrodek wzmocnienia to materiał w laserze służący do wzmacniania światła. Umożliwia on wzmocnienie światła poprzez proces inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Wybór ośrodka wzmocnienia determinuje charakterystykę promieniowania lasera. | Lasery półprzewodnikowe: np. Nd:YAG (granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem), 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 półprzewodnikowych.Pompowanie elektryczne:Wzbudzenie gazu w laserach gazowych za pomocą prądu elektrycznego.Pompowanie półprzewodników:Wykorzystanie diod laserowych do pompowania ośrodka laserowego w ciele stałym. |
| Komora optyczna | Komora optyczna, składająca się z dwóch zwierciadeł, odbija światło, wydłużając drogę światła w ośrodku wzmocnienia, a tym samym zwiększając wzmocnienie światła. Zapewnia mechanizm sprzężenia zwrotnego do wzmocnienia laserowego, dobierając charakterystykę widmową i przestrzenną światła. | Jama płaska-płaska:Stosowany w badaniach laboratoryjnych, prosta konstrukcja.Wnęka płasko-wklęsła:Stosowany powszechnie w laserach przemysłowych, zapewnia wysokiej jakości wiązkę. Wnęka pierścieniowa:Stosowany w określonych konstrukcjach laserów pierścieniowych, np. pierścieniowych laserów gazowych. |
Medium wzmocnienia: połączenie mechaniki kwantowej i inżynierii optycznej
Dynamika kwantowa w ośrodku wzmocnienia
Ośrodek wzmocnienia to miejsce, w którym zachodzi fundamentalny proces wzmacniania światła – zjawisko głęboko zakorzenione w mechanice kwantowej. Oddziaływanie między stanami energetycznymi a cząstkami w ośrodku jest regulowane zasadami emisji wymuszonej i inwersji obsadzeń. Krytyczna zależność między natężeniem światła (I), natężeniem początkowym (I0), przekrojem czynnym przejścia (σ21) a liczbą cząstek na dwóch poziomach energetycznych (N2 i N1) jest opisana równaniem I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Osiągnięcie inwersji obsadzeń, gdzie N2 > N1, jest niezbędne do wzmocnienia i stanowi kamień węgielny fizyki laserów.1].
Systemy trzypoziomowe i czteropoziomowe
W praktycznych projektach laserów powszechnie stosuje się układy trzy- i czteropoziomowe. Układy trzypoziomowe, choć prostsze, wymagają większej energii do osiągnięcia inwersji obsadzeń, ponieważ niższy poziom lasera jest stanem podstawowym. Z kolei układy czteropoziomowe oferują bardziej efektywną drogę do inwersji obsadzeń ze względu na szybki, bezpromienisty rozpad z wyższego poziomu energetycznego, co czyni je bardziej powszechnymi we współczesnych 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 to pierwiastek ziem rzadkich, który po wbudowaniu w szkło może skutecznie wzmacniać światło poprzez emisję wymuszoną, co jest fundamentalnym procesem w działaniu laserów.
Szkło domieszkowane erbem jest szczególnie cenione ze względu na zastosowanie w laserach światłowodowych i wzmacniaczach światłowodowych, zwłaszcza w przemyśle telekomunikacyjnym. Doskonale nadaje się do tych zastosowań, ponieważ skutecznie wzmacnia światło o długości fali około 1550 nm, która jest kluczowa dla komunikacji światłowodowej ze względu na niskie straty w standardowych włóknach krzemionkowych.
Tenerbjony pochłaniają światło pompy (często zdioda laserowa) i są wzbudzane do wyższych stanów energetycznych. Po powrocie do niższego stanu energetycznego emitują fotony o długości fali laserowej, przyczyniając się do procesu laserowego. To sprawia, że szkło domieszkowane erbem jest efektywnym i szeroko stosowanym ośrodkiem wzmocnienia w różnych konstrukcjach laserów i wzmacniaczy.
Powiązane blogi: Aktualności - Szkło domieszkowane erbem: nauka i zastosowania
Mechanizmy pompujące: siła napędowa laserów
Różnorodne podejścia do osiągnięcia inwersji populacji
Wybór mechanizmu pompującego ma kluczowe znaczenie w projektowaniu lasera, wpływając na wszystko, od wydajności po wyjściową długość fali. Pompowanie optyczne, wykorzystujące zewnętrzne źródła światła, takie jak lampy błyskowe lub inne lasery, jest powszechne w laserach półprzewodnikowych i barwnikowych. Metody wyładowań elektrycznych są zazwyczaj stosowane w laserach gazowych, podczas gdy lasery półprzewodnikowe często wykorzystują wstrzykiwanie elektronów. Wydajność tych mechanizmów pompujących, szczególnie w laserach półprzewodnikowych pompowanych diodami, jest ważnym przedmiotem ostatnich badań, oferując wyższą wydajność i kompaktowość.3].
Rozważania techniczne dotyczące wydajności pompowania
Wydajność procesu pompowania jest kluczowym aspektem projektowania laserów, wpływającym na ogólną wydajność i przydatność do zastosowań. 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 tworzenie bardziej kompaktowych i wydajnych konstrukcji.4].
Komora optyczna: projektowanie wiązki laserowej
Projektowanie wnęk: równoważenie fizyki i inżynierii
Wnęka optyczna, czyli rezonator, to nie tylko element pasywny, ale także aktywny uczestnik kształtowania wiązki laserowej. Konstrukcja wnęki, w tym krzywizna i ustawienie zwierciadeł, odgrywa kluczową rolę w określaniu stabilności, struktury modów i mocy wyjściowej lasera. Wnęka musi być zaprojektowana tak, aby zwiększyć wzmocnienie optyczne przy jednoczesnej minimalizacji strat, co stanowi wyzwanie łączące inżynierię optyczną z optyką falową.5.
Warunki oscylacji i wybór trybu
Aby wystąpiła oscylacja lasera, wzmocnienie zapewniane przez ośrodek musi przewyższać straty w wnęce. Ten warunek, w połączeniu z wymogiem koherentnej superpozycji fal, oznacza, że obsługiwane są tylko niektóre mody podłużne. Odstępy między modami i ogólna struktura modów zależą od fizycznej długości wnęki oraz 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 konstrukcję wnęki optycznej, każdy element systemu laserowego odgrywa kluczową rolę w jego ogólnej funkcjonalności. Niniejszy artykuł pozwala wniknąć w złożony świat technologii laserowej, oferując wiedzę, która rezonuje z zaawansowaną wiedzą profesorów i inżynierów optyki w tej dziedzinie.
Odniesienia
- 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Uniwersyteckie książki naukowe.
- 2. Svelto, O. (2010). Zasady działania laserów. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Inżynieria laserów półprzewodnikowych. Springer.
- 4. Piper, JA i Mildren, RP (2014). Lasery półprzewodnikowe pompowane diodami. W: Handbook of Laser Technology and Applications (Vol. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW i Eberly, JH (2010). Fizyka laserów. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Podstawy lasera. Cambridge University Press.
Czas publikacji: 27-11-2023