Prihláste sa na odber našich sociálnych médií a získajte rýchly príspevok
Lasery, základný kameň moderných technológií, sú rovnako fascinujúce ako zložité. V ich srdci leží symfónia komponentov, ktoré spolupracujú na vytváraní koherentného, zosilneného svetla. Tento blog sa ponorí do zložitosti týchto komponentov, podporovaný vedeckými princípmi a rovnicami, aby poskytol hlbšie pochopenie laserovej technológie.
Pokročilý pohľad na komponenty laserového systému: Technická perspektíva pre profesionálov
| Komponent | Funkcia | Príklady |
| Stredný zisk | Zosilňovacie médium je materiál v laseri, ktorý sa používa na zosilnenie svetla. Uľahčuje zosilnenie svetla prostredníctvom procesu inverzie populácie a stimulovanej emisie. Výber média zosilnenia určuje charakteristiky žiarenia lasera. | Pevné lasery: napr. Nd:YAG (ytrium-hliníkový granát dopovaný neodýmom), používaný v medicínskych a priemyselných aplikáciách.Plynové lasery: napr. CO2 lasery, používané na rezanie a zváranie.Polovodičové lasery:napr. laserové diódy, používané v komunikácii s optickými vláknami a laserové ukazovátka. |
| Zdroj čerpania | Čerpací zdroj dodáva energiu do ziskového média na dosiahnutie inverzie populácie (zdroj energie na inverziu populácie), čo umožňuje laserovú prevádzku. | Optické čerpanie: Použitie zdrojov intenzívneho svetla, ako sú baterky, na pumpovanie pevnolátkových laserov.Elektrické čerpanie: Budenie plynu v plynových laseroch elektrickým prúdom.Čerpanie polovodičov: Použitie laserových diód na čerpanie média pevnolátkového lasera. |
| Optická dutina | Optická dutina, pozostávajúca z dvoch zrkadiel, odráža svetlo, aby sa zväčšila dĺžka dráhy svetla v zosilňovacom médiu, čím sa zvýši zosilnenie svetla. Poskytuje mechanizmus spätnej väzby pre laserové zosilnenie, výberom spektrálnych a priestorových charakteristík svetla. | Planárno-rovinná dutina: Používa sa v laboratórnom výskume, jednoduchá štruktúra.Planárno-konkávna dutina: Bežné v priemyselných laseroch, poskytuje vysokokvalitné lúče. Kruhová dutina: Používa sa v špecifických dizajnoch prstencových laserov, ako sú prstencové plynové lasery. |
Médium zisku: spojenie kvantovej mechaniky a optického inžinierstva
Kvantová dynamika v médiu zisku
Médium zisku je miesto, kde dochádza k základnému procesu zosilňovania svetla, fenoménu hlboko zakorenenému v kvantovej mechanike. Interakcia medzi energetickými stavmi a časticami v prostredí je riadená princípmi stimulovanej emisie a populačnej inverzie. Kritický vzťah medzi intenzitou svetla (I), počiatočnou intenzitou (I0), prechodovým prierezom (σ21) a počtom častíc na dvoch energetických hladinách (N2 a N1) je opísaný rovnicou I = I0e^ (a21(N2-N1)L). Dosiahnutie inverzie populácie, kde N2 > N1, je nevyhnutné pre zosilnenie a je základným kameňom laserovej fyziky[1].
Trojúrovňové verzus štvorúrovňové systémy
V praktických laserových dizajnoch sa bežne používajú trojúrovňové a štvorúrovňové systémy. Trojúrovňové systémy, hoci sú jednoduchšie, vyžadujú viac energie na dosiahnutie inverzie populácie, pretože nižšia hladina lasera je základný stav. Na druhej strane štvorúrovňové systémy ponúkajú efektívnejšiu cestu k inverzii obyvateľstva vďaka rýchlemu nežiarivému rozpadu z vyššej energetickej hladiny, vďaka čomu sú bežnejšie v moderných laserových aplikáciách[2].
Is Sklo dopované erbiomziskové médium?
Áno, erbiom dopované sklo je skutočne typ zosilňovacieho média používaného v laserových systémoch. V tomto kontexte „doping“ označuje proces pridávania určitého množstva iónov erbia (Er3⁺) do skla. Erbium je prvok vzácnych zemín, ktorý po začlenení do skleneného hostiteľa dokáže účinne zosilniť svetlo prostredníctvom stimulovanej emisie, čo je základný proces v laserovej prevádzke.
Erbiom dopované sklo je obzvlášť pozoruhodné pre svoje použitie vo vláknových laseroch a vláknových zosilňovačoch, najmä v telekomunikačnom priemysle. Pre tieto aplikácie sa dobre hodí, pretože efektívne zosilňuje svetlo pri vlnových dĺžkach okolo 1550 nm, čo je kľúčová vlnová dĺžka pre komunikáciu s optickými vláknami vďaka nízkej strate v štandardných vláknach oxidu kremičitého.
Theerbiumióny absorbujú svetlo pumpy (často z alaserová dióda) a sú vzrušené do vyšších energetických stavov. Keď sa vrátia do stavu s nižšou energiou, vyžarujú fotóny na vlnovej dĺžke lasera, čím prispievajú k laserovému procesu. Vďaka tomu je sklo dotované erbiom efektívnym a široko používaným médiom zosilnenia v rôznych dizajnoch laserov a zosilňovačov.
Súvisiace blogy: Novinky - Erbiom dopované sklo: Veda a aplikácie
Čerpacie mechanizmy: Hnacia sila laserov
Rôzne prístupy k dosiahnutiu populačnej inverzie
Výber čerpacieho mechanizmu je kľúčový v dizajne lasera, ktorý ovplyvňuje všetko od účinnosti až po výstupnú vlnovú dĺžku. Optické čerpanie pomocou externých svetelných zdrojov, ako sú zábleskové lampy alebo iné lasery, je bežné v pevných a farbiacich laseroch. Metódy elektrického výboja sa zvyčajne používajú v plynových laseroch, zatiaľ čo polovodičové lasery často používajú vstrekovanie elektrónov. Účinnosť týchto čerpacích mechanizmov, najmä v pevnolátkových laseroch čerpaných diódami, bola významným stredobodom nedávneho výskumu, ktorý ponúka vyššiu účinnosť a kompaktnosť[3].
Technické úvahy o účinnosti čerpania
Účinnosť procesu čerpania je kritickým aspektom dizajnu lasera, ktorý ovplyvňuje celkový výkon a vhodnosť aplikácie. V pevnolátkových laseroch môže výber medzi výbojkovými lampami a laserovými diódami ako zdroja pumpy výrazne ovplyvniť účinnosť systému, tepelné zaťaženie a kvalitu lúča. Vývoj vysokovýkonných a vysokoúčinných laserových diód spôsobil revolúciu v laserových systémoch DPSS, čo umožňuje kompaktnejšie a efektívnejšie návrhy[4].
Optická dutina: Vytvorenie laserového lúča
Cavity Design: Balancing Act of Physics and Engineering
Optická dutina alebo rezonátor nie je len pasívnym komponentom, ale aktívnym účastníkom tvarovania laserového lúča. Dizajn dutiny, vrátane zakrivenia a zarovnania zrkadiel, hrá kľúčovú úlohu pri určovaní stability, štruktúry režimu a výkonu lasera. Dutina musí byť navrhnutá tak, aby zvyšovala optický zisk a zároveň minimalizovala straty, čo je výzva, ktorá kombinuje optické inžinierstvo s vlnovou optikou5.
Podmienky oscilácie a výber režimu
Aby došlo k oscilácii lasera, musí zisk média prevýšiť straty v dutine. Táto podmienka spojená s požiadavkou na koherentnú superpozíciu vĺn diktuje, že sú podporované iba určité pozdĺžne režimy. Rozstup vidov a celková štruktúra vidov sú ovplyvnené fyzickou dĺžkou dutiny a indexom lomu zosilňovacieho média[6].
Záver
Návrh a prevádzka laserových systémov zahŕňa široké spektrum fyzikálnych a inžinierskych princípov. Od kvantovej mechaniky, ktorou sa riadi médium zosilnenia, až po zložité inžinierstvo optickej dutiny, každý komponent laserového systému hrá zásadnú úlohu v jeho celkovej funkčnosti. Tento článok poskytuje pohľad do zložitého sveta laserovej technológie a ponúka pohľady, ktoré rezonujú s pokročilým chápaním profesorov a optických inžinierov v tejto oblasti.
Referencie
- 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Univerzitné vedecké knihy.
- 2. Svelto, O. (2010). Princípy laserov. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Technika polovodičového lasera. Springer.
- 4. Piper, JA, & Mildren, RP (2014). Diódou čerpané polovodičové lasery. In Príručka laserových technológií a aplikácií (zv. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Laserová fyzika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Základy lasera. Cambridge University Press.
Čas odoslania: 27. novembra 2023