Kľúčové komponenty laseru: zosilňovacie médium, zdroj čerpacieho napätia a optická dutina.

Prihláste sa na odber našich sociálnych médií a získajte rýchle príspevky

Lasery, základný kameň modernej technológie, sú rovnako fascinujúce ako aj zložité. V ich srdci sa nachádza symfónia komponentov, ktoré pracujú v súlade a vytvárajú koherentné, zosilnené svetlo. Tento blog sa ponára do zložitosti týchto komponentov, podporený vedeckými princípmi a rovnicami, aby poskytol hlbšie pochopenie laserovej technológie.

 

Pokročilé poznatky o komponentoch laserových systémov: Technická perspektíva pre profesionálov

 

Komponent

Funkcia

Príklady

Stredný zisk Ziskové médium je materiál v lasere používaný na zosilnenie svetla. Umožňuje zosilnenie svetla prostredníctvom procesu inverzie populácie a stimulovanej emisie. Voľba ziskového média určuje vyžarovacie charakteristiky laseru. Pevnolátkové laserynapr. Nd:YAG (ytriovo-hlinitý granát dopovaný neodýmom), používaný v lekárskych a priemyselných aplikáciách.Plynové laserynapr. CO2 lasery, používané na rezanie a zváranie.Polovodičové lasery:napr. laserové diódy používané v komunikácii prostredníctvom optických vlákien a laserové ukazovátka.
Zdroj čerpania Čerpací zdroj dodáva energiu do zosilňovacieho média na dosiahnutie populačnej inverzie (zdroj energie pre populačnú inverziu), čo umožňuje prevádzku laseru. Optické čerpaniePoužitie intenzívnych svetelných zdrojov, ako sú zábleskové lampy, na buzovanie laserov v pevnej fáze.Elektrické čerpanieBudenie plynu v plynových laseroch elektrickým prúdom.Polovodičové čerpaniePoužitie laserových diód na čerpanie laserového média v pevnej fáze.
Optická dutina Optická dutina pozostávajúca z dvoch zrkadiel odráža svetlo, čím sa zväčšuje dĺžka dráhy svetla v zosilňovacom médiu, čím sa zvyšuje zosilnenie svetla. Poskytuje mechanizmus spätnej väzby pre laserové zosilnenie, ktorý vyberá spektrálne a priestorové charakteristiky svetla. Planárno-planárna dutinaPoužíva sa v laboratórnom výskume, jednoduchá štruktúra.Planárno-konkávna dutinaBežné v priemyselných laseroch, poskytuje vysokokvalitné lúče. Dutina krúžkuPoužíva sa v špecifických konštrukciách prstencových laserov, ako sú napríklad prstencové plynové lasery.

 

Ziskové médium: Spojenie kvantovej mechaniky a optického inžinierstva

Kvantová dynamika v zosilňovacom médiu

Ziskové médium je miestom, kde dochádza k základnému procesu zosilnenia svetla, čo je jav hlboko zakorenený v kvantovej mechanike. Interakcia medzi energetickými stavmi a časticami v médiu sa riadi princípmi stimulovanej emisie a populačnej inverzie. Kritický vzťah medzi intenzitou svetla (I), počiatočnou intenzitou (I0), prierezom prechodu (σ21) a počtom častíc na dvoch energetických hladinách (N2 a N1) je opísaný rovnicou I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Dosiahnutie populačnej inverzie, kde N2 > N1, je nevyhnutné pre zosilnenie a je základným kameňom laserovej fyziky.1].

 

Trojúrovňové vs. štvorúrovňové systémy

V praktických laserových konštrukciách sa bežne používajú trojúrovňové a štvorúrovňové systémy. Trojúrovňové systémy, hoci sú jednoduchšie, vyžadujú viac energie na dosiahnutie inverzie populácie, pretože nižšia laserová hladina je základný stav. Štvorúrovňové systémy na druhej strane ponúkajú efektívnejšiu cestu k inverzii populácie vďaka rýchlemu neradiačnému rozpadu z vyššej energetickej hladiny, vďaka čomu sú v moderných laserových aplikáciách rozšírenejšie.2].

 

Is Sklo dopované erbiomziskové médium?

Áno, sklo dopované erbiom je skutočne typom zosilňovacieho média používaného v laserových systémoch. V tejto súvislosti sa „dopovanie“ vzťahuje na proces pridávania určitého množstva erbiových iónov (Er³⁺) do skla. Erbium je prvok vzácnych zemín, ktorý po zabudovaní do skleneného hostiteľa dokáže účinne zosilniť svetlo prostredníctvom stimulovanej emisie, čo je základný proces v laserovej prevádzke.

Sklo dopované erbiom je obzvlášť pozoruhodné pre svoje použitie vo vláknových laseroch a vláknových zosilňovačoch, najmä v telekomunikačnom priemysle. Je vhodné pre tieto aplikácie, pretože efektívne zosilňuje svetlo na vlnových dĺžkach okolo 1550 nm, čo je kľúčová vlnová dĺžka pre optickú komunikáciu vďaka nízkym stratám v štandardných kremíkových vláknach.

Ten/Tá/Toerbiumióny absorbujú svetlo pumpy (často zlaserová dióda) a sú excitované do vyšších energetických stavov. Keď sa vrátia do nižšieho energetického stavu, emitujú fotóny na vlnovej dĺžke laserového žiarenia, čím prispievajú k laserovému procesu. Vďaka tomu je sklo dopované erbiom účinným a široko používaným zosilňovacím médiom v rôznych konštrukciách laserov a zosilňovačov.

Súvisiace blogy: Novinky - Sklo dopované erbiom: Veda a aplikácie

Čerpacie mechanizmy: Hnacia sila laserov

Rôzne prístupy k dosiahnutiu populačnej inverzie

Voľba čerpacieho mechanizmu je kľúčová pri návrhu lasera a ovplyvňuje všetko od účinnosti až po výstupnú vlnovú dĺžku. Optické čerpanie, využívajúce externé zdroje svetla, ako sú zábleskové lampy alebo iné lasery, je bežné v tuhých a farbivových laseroch. Metódy elektrického výboja sa zvyčajne používajú v plynových laseroch, zatiaľ čo polovodičové lasery často používajú injekciu elektrónov. Účinnosť týchto čerpacích mechanizmov, najmä v diódami čerpaných tuhých laseroch, bola významným zameraním nedávneho výskumu a ponúka vyššiu účinnosť a kompaktnosť.3].

 

Technické aspekty účinnosti čerpania

Účinnosť čerpacieho procesu je kritickým aspektom návrhu lasera, ktorý ovplyvňuje celkový výkon a vhodnosť aplikácie. V pevnolátkových laseroch môže voľba medzi zábleskovými lampami a laserovými diódami ako zdrojom čerpania významne ovplyvniť účinnosť systému, tepelné zaťaženie a kvalitu lúča. Vývoj vysokovýkonných a vysokoúčinných laserových diód spôsobil revolúciu v laserových systémoch DPSS, čo umožnilo kompaktnejšie a efektívnejšie konštrukcie.4].

 

Optická dutina: Návrh laserového lúča

 

Dizajn dutín: Vyvažovací akt fyziky a inžinierstva

Optická dutina alebo rezonátor nie je len pasívnou súčasťou, ale aktívnym účastníkom formovania laserového lúča. Dizajn dutiny vrátane zakrivenia a zarovnania zrkadiel zohráva kľúčovú úlohu pri určovaní stability, štruktúry módov a výkonu laseru. Dutina musí byť navrhnutá tak, aby zvýšila optický zisk a zároveň minimalizovala straty, čo je výzva, ktorá spája optické inžinierstvo s vlnovou optikou.5.

Podmienky oscilácie a výber režimu

Aby došlo k laserovému kmitaniu, zosilnenie poskytované médiom musí presiahnuť straty v dutine. Táto podmienka, spolu s požiadavkou na superpozíciu koherentných vĺn, určuje, že sú podporované iba určité pozdĺžne módy. Rozstup módov a celková štruktúra módov sú ovplyvnené fyzickou dĺžkou dutiny a indexom lomu zosilňovacieho média.6].

 

Záver

Návrh a prevádzka laserových systémov zahŕňajú široké spektrum fyzikálnych a technických princípov. Od kvantovej mechaniky riadiacej zosilňovacie médium až po zložité inžinierstvo optickej dutiny, každá zložka laserového systému zohráva kľúčovú úlohu v jeho celkovej funkčnosti. Tento článok poskytol pohľad do zložitého sveta laserovej technológie a ponúkol poznatky, ktoré rezonujú s pokročilým chápaním profesorov a optických inžinierov v tejto oblasti.

Súvisiaca laserová aplikácia
Súvisiace produkty

Referencie

  • 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Univerzitné vedecké knihy.
  • 2. Svelto, O. (2010). Princípy laserov. Springer.
  • 3. Koechner, W. (2006). Inžinierstvo laserov v tuhej fáze. Springer.
  • 4. Piper, JA a Mildren, RP (2014). Diódovo čerpané lasery v pevnej fáze. In Príručka laserovej technológie a aplikácií (zv. III). CRC Press.
  • 5. Milonni, PW a Eberly, JH (2010). Laserová fyzika. Wiley.
  • 6. Silfvast, WT (2004). Základy laserov. Cambridge University Press.

Čas uverejnenia: 27. novembra 2023