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.
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