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: Używany 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 żywicy 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.
Bibliografia
- 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).Prasa CRC.
- 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