Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Lasery, kamień węgielny nowoczesnej technologii, są równie fascynujące, jak i złożone. W ich sercu leży symfonia komponentów współpracujących w celu wytworzenia spójnego, wzmocnionego światła. Na tym blogu zagłębiamy się w zawiłości tych komponentów, poparte zasadami naukowymi i równaniami, aby zapewnić głębsze zrozumienie technologii laserowej.
Zaawansowany wgląd w komponenty systemów laserowych: perspektywa techniczna dla profesjonalistów
| Część | Funkcjonować | Przykłady |
| Zyskaj średni | Ośrodek wzmacniający to materiał w laserze używany do wzmacniania światła. Ułatwia wzmocnienie światła poprzez proces inwersji populacji i emisji wymuszonej. Wybór ośrodka wzmacniającego określa charakterystykę promieniowania lasera. | Lasery na ciele stałym: np. Nd:YAG (granat itrowo-aluminiowy 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 osiągnięcia inwersji obsadzeń (źródło energii do inwersji obsadzeń), umożliwiając działanie lasera. | Pompowanie optyczne: Używanie intensywnych źródeł światła, takich jak lampy błyskowe, do pompowania laserów na ciele stałym.Pompowanie elektryczne: Wzbudzanie gazu w laserach gazowych prądem elektrycznym.Pompowanie półprzewodników: Zastosowanie diod laserowych do pompowania ośrodka laserowego na ciele stałym. |
| Wnęka optyczna | Wnęka optyczna składająca się z dwóch zwierciadeł odbija światło, zwiększając długość ścieżki światła w ośrodku wzmacniającym, zwiększając w ten sposób wzmocnienie światła. Zapewnia mechanizm sprzężenia zwrotnego dla wzmocnienia lasera, wybierając charakterystykę widmową i przestrzenną światła. | Wnęka planarno-płaska: Stosowany w badaniach laboratoryjnych, prosta konstrukcja.Wnęka planarno-wklęsła: Powszechnie stosowany w laserach przemysłowych, zapewnia wysokiej jakości wiązki. Wnęka pierścieniowa: Stosowany w określonych konstrukcjach laserów pierścieniowych, takich jak lasery pierścieniowe. |
Medium wzmocnienia: połączenie mechaniki kwantowej i inżynierii optycznej
Dynamika kwantowa w ośrodku wzmocnienia
W ośrodku wzmocnienia zachodzi podstawowy proces wzmacniania światła, zjawisko głęboko zakorzenione w mechanice kwantowej. Interakcja między stanami energetycznymi i cząstkami w ośrodku rządzi się zasadami emisji wymuszonej i inwersji obsadzeń. Krytyczną zależność pomiędzy natężeniem światła (I), natężeniem początkowym (I0), przekrojem przejściowym (σ21) i liczbą cząstek na dwóch poziomach energii (N2 i N1) opisuje równanie I = I0e^ (σ21(N2-N1)L). Osiągnięcie inwersji obsadzeń, gdzie N2 > N1, jest niezbędne dla wzmocnienia i jest kamieniem węgielnym fizyki laserów.1].
Systemy trzypoziomowe a systemy czteropoziomowe
W praktycznych projektach laserów powszechnie stosuje się systemy trzypoziomowe i czteropoziomowe. Systemy trójpoziomowe, choć prostsze, wymagają więcej energii, aby osiągnąć inwersję obsadzeń, ponieważ niższy poziom lasera to stan podstawowy. Z drugiej strony systemy czteropoziomowe oferują wydajniejszą drogę do inwersji obsadzeń ze względu na szybki, niepromienisty zanik z wyższego poziomu energii, co czyni je bardziej powszechnymi w nowoczesnych zastosowaniach laserowych.2].
Is Szkło domieszkowane erbemśrodek wzmacniający?
Tak, szkło domieszkowane erbem jest rzeczywiście rodzajem ośrodka wzmacniającego stosowanego w systemach laserowych. W tym kontekście „domieszkowanie” odnosi się do procesu dodawania do szkła określonej ilości jonów erbu (Er³⁺). Erb to pierwiastek ziem rzadkich, który po włączeniu do szklanej matrycy może skutecznie wzmacniać światło poprzez emisję wymuszoną, co jest podstawowym procesem w działaniu lasera.
Szkło domieszkowane erbem jest szczególnie godne uwagi ze względu na zastosowanie w laserach światłowodowych i wzmacniaczach światłowodowych, zwłaszcza w przemyśle telekomunikacyjnym. Dobrze nadaje się do tych zastosowań, ponieważ skutecznie wzmacnia światło o długości fali około 1550 nm, która jest kluczową długością fali w komunikacji światłowodowej ze względu na niskie straty w standardowych włóknach krzemionkowych.
Theerbjony absorbują światło pompy (często z adioda laserowa) i są podekscytowani wyższymi stanami energetycznymi. Kiedy powracają do niższego stanu energetycznego, emitują fotony o długości fali lasera, przyczyniając się do procesu laserowego. To sprawia, że szkło domieszkowane erbem jest skutecznym i szeroko stosowanym medium wzmacniającym w różnych konstrukcjach laserów i wzmacniaczy.
Powiązane blogi: Aktualności - Szkło domieszkowane erbem: nauka i zastosowania
Mechanizmy pompujące: siła napędowa laserów
Różnorodne podejścia do osiągania inwersji populacji
Wybór mechanizmu pompującego ma kluczowe znaczenie w projektowaniu lasera i wpływa na wszystko, od wydajności po długość fali wyjściowej. Pompowanie optyczne przy użyciu zewnętrznych źródeł światła, takich jak lampy błyskowe lub inne lasery, jest powszechne w laserach półprzewodnikowych i laserach 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 na ciele stałym pompowanych diodami, była głównym przedmiotem ostatnich badań, oferując wyższą wydajność i zwartość [3].
Względy techniczne dotyczące wydajności pompowania
Wydajność procesu pompowania jest krytycznym aspektem konstrukcji lasera, wpływającym na ogólną wydajność i przydatność zastosowania. W przypadku laserów na ciele stałym wybór między lampami błyskowymi a diodami laserowymi jako źródłem pompy 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 konstrukcje [4].
Wnęka optyczna: inżynieria wiązki laserowej
Projekt wnęki: akt równoważenia fizyki i inżynierii
Wnęka optyczna, czyli rezonator, to nie tylko element pasywny, ale aktywny uczestnik kształtowania wiązki lasera. Konstrukcja wnęki, w tym krzywizna i ustawienie zwierciadeł, odgrywa kluczową rolę w określaniu stabilności, struktury modów i mocy lasera. Wnęka musi być zaprojektowana tak, aby zwiększyć wzmocnienie optyczne przy jednoczesnej minimalizacji strat, co jest wyzwaniem łączącym inżynierię optyczną z optyką falową5.
Warunki oscylacji i wybór trybu
Aby wystąpiły oscylacje lasera, wzmocnienie zapewniane przez ośrodek musi przewyższać straty we wnęce. Warunek ten, w połączeniu z wymogiem spójnej superpozycji fal, powoduje, że obsługiwane są tylko niektóre mody podłużne. Na odstępy między modami i ogólną strukturę modów wpływa fizyczna długość wnęki i współczynnik załamania światła ośrodka wzmacniającego [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. Artykuł ten dał wgląd w złożony świat technologii laserowej, oferując spostrzeżenia, które odzwierciedlają zaawansowaną wiedzę profesorów i inżynierów optycznych w tej dziedzinie.
Referencje
- 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Uniwersyteckie książki naukowe.
- 2. Svelto, O. (2010). Zasady laserów. Skoczek.
- 3. Koechner, W. (2006). Inżynieria laserowa na ciele stałym. Skoczek.
- 4. Piper, JA i Mildren, RP (2014). Lasery półprzewodnikowe pompowane diodami. W Podręczniku technologii i zastosowań laserowych (tom III). CRC Prasa.
- 5. Milonni, PW i Eberly, JH (2010). Fizyka lasera. Wiley'a.
- 6. Silfvast, WT (2004). Podstawy lasera. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge.
Czas publikacji: 27 listopada 2023 r