Падпішыцеся на нашы сацыяльныя сеткі для аператыўных публікацый
Лазеры, краевугольны камень сучасных тэхналогій, такія ж захапляльныя, як і складаныя. У іх аснове ляжыць сімфонія кампанентаў, якія працуюць зладжана, каб ствараць кагерэнтнае, узмоцненае святло. Гэты блог паглыбляецца ў тонкасці гэтых кампанентаў, падмацаваных навуковымі прынцыпамі і ўраўненнямі, каб забяспечыць больш глыбокае разуменне лазерных тэхналогій.
Пашыраны аналіз кампанентаў лазерных сістэм: тэхнічны погляд для спецыялістаў
| Кампанент | Функцыя | Прыклады |
| Сярэдні ўзровень узмацнення | Узмацняльнае асяроддзе — гэта матэрыял у лазеры, які выкарыстоўваецца для ўзмацнення святла. Яно спрыяе ўзмацненню святла праз працэс інверсіі населенасці і вымушанага выпраменьвання. Выбар узмацняльнага асяроддзя вызначае характарыстыкі выпраменьвання лазера. | Цвёрдацельныя лазерынапрыклад, Nd:YAG (неадымам легаваны ітрыевы алюмініевы гранат), які выкарыстоўваецца ў медыцынскіх і прамысловых мэтах.Газавыя лазерынапрыклад, CO2-лазеры, якія выкарыстоўваюцца для рэзкі і зваркі.Паўправадніковыя лазеры:напрыклад, лазерныя дыёды, якія выкарыстоўваюцца ў валаконна-аптычнай сувязі і лазерных указках. |
| Крыніца помпавай энергіі | Крыніца накачкі забяспечвае энергіяй асяроддзе ўзмацнення для дасягнення інверсіі населенасці (крыніца энергіі для інверсіі населенасці), што дазваляе працаваць лазеру. | Аптычная накачкаВыкарыстанне інтэнсіўных крыніц святла, такіх як лямпы-ўспышкі, для накачвання цвёрдацельных лазераў.Электрычная помпаваяУзбуджэнне газу ў газавых лазерах электрычным токам.Паўправадніковая накачкаВыкарыстанне лазерных дыёдаў для накачкі цвёрдацельнага лазернага асяроддзя. |
| Аптычная паражніна | Аптычны рэзанатар, які складаецца з двух люстэркаў, адлюстроўвае святло, павялічваючы даўжыню шляху святла ў асяроддзі ўзмацнення, тым самым паляпшаючы ўзмацненне святла. Ён забяспечвае механізм зваротнай сувязі для лазернага ўзмацнення, выбіраючы спектральныя і прасторавыя характарыстыкі святла. | Планарна-планарная паражнінаВыкарыстоўваецца ў лабараторных даследаваннях, простая структура.Планарна-ўвагнутая паражнінаРаспаўсюджаны ў прамысловых лазерах, забяспечвае высакаякасныя прамяні. Кольцавая паражнінаВыкарыстоўваецца ў пэўных канструкцыях кальцавых лазераў, такіх як кальцавыя газавыя лазеры. |
Узмацняльнае асяроддзе: сувязь квантавай механікі і аптычнай інжынерыі
Квантавая дынаміка ў асяроддзі ўзмацнення
Асяроддзе ўзмацнення — гэта месца, дзе адбываецца фундаментальны працэс узмацнення святла, з'ява, глыбока ўкаранёная ў квантавай механіцы. Узаемадзеянне паміж энергетычнымі станамі і часціцамі ў асяроддзі рэгулюецца прынцыпамі вымушанага выпраменьвання і інверсіі населенасці. Крытычная сувязь паміж інтэнсіўнасцю святла (I), пачатковай інтэнсіўнасцю (I0), папярочным сячэннем пераходу (σ21) і колькасцю часціц на двух энергетычных узроўнях (N2 і N1) апісваецца ўраўненнем I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Дасягненне інверсіі населенасці, дзе N2 > N1, мае важнае значэнне для ўзмацнення і з'яўляецца краевугольным каменем лазернай фізікі.1].
Трохузроўневыя супраць чатырохузроўневых сістэм
У практычных лазерных канструкцыях звычайна выкарыстоўваюцца трох- і чатырохузроўневыя сістэмы. Трохузроўневыя сістэмы, хоць і прасцейшыя, патрабуюць больш энергіі для дасягнення інверсіі населенасці, паколькі ніжні лазерны ўзровень з'яўляецца асноўным станам. Чатырохузроўневыя сістэмы, з іншага боку, прапануюць больш эфектыўны шлях да інверсіі населенасці з-за хуткага невыпраменьвальнага распаду з больш высокага энергетычнага ўзроўню, што робіць іх больш распаўсюджанымі ў сучасных лазерных прымяненнях.2].
Is Шкло, легаванае эрбіемсродак узмацнення?
Так, шкло, легаванае эрбіем, сапраўды з'яўляецца тыпам ўзмацняльнага асяроддзя, які выкарыстоўваецца ў лазерных сістэмах. У гэтым кантэксце «легаванне» адносіцца да працэсу дадання пэўнай колькасці іонаў эрбія (Er³⁺) да шкла. Эрбій — гэта рэдказямельны элемент, які пры ўключэнні ў шкляны носьбіт можа эфектыўна ўзмацняць святло праз вымушанае выпраменьванне, фундаментальны працэс у працы лазера.
Шкло, легаванае эрбіем, асабліва вядома сваім выкарыстаннем у валаконных лазерах і валаконных узмацняльніках, асабліва ў тэлекамунікацыйнай галіне. Яно добра падыходзіць для гэтых ужыванняў, паколькі эфектыўна ўзмацняе святло на даўжынях хваль каля 1550 нм, што з'яўляецца ключавой даўжынёй хвалі для валаконна-аптычнай сувязі з-за нізкіх страт у стандартных крэмніевых валокнах.
Гэтыэрбійіёны паглынаюць святло накачкі (часта адлазерны дыёд) і ўзбуджаюцца да больш высокіх энергетычных станаў. Калі яны вяртаюцца да больш нізкага энергетычнага стану, яны выпраменьваюць фатоны на даўжыні хвалі лазернага выпраменьвання, спрыяючы лазернаму працэсу. Гэта робіць шкло, легаванае эрбіем, эфектыўным і шырока выкарыстоўваным асяроддзем для ўзмацнення ў розных канструкцыях лазераў і ўзмацняльнікаў.
Падобныя блогі: Навіны - Шкло, легаванае эрбіем: навука і прымяненне
Механізмы накачкі: рухаючая сіла лазераў
Розныя падыходы да дасягнення інверсіі папуляцыі
Выбар механізму накачкі мае вырашальнае значэнне ў канструкцыі лазера, уплываючы на ўсё: ад эфектыўнасці да даўжыні хвалі выхаднога выпраменьвання. Аптычная накачка з выкарыстаннем знешніх крыніц святла, такіх як лямпы-ўспышкі або іншыя лазеры, распаўсюджана ў цвёрдацельных і фарбавальнымі лазерах. У газавых лазерах звычайна выкарыстоўваюцца метады электрычнага разраду, у той час як у паўправадніковых лазерах часта выкарыстоўваецца інжэкцыя электронаў. Эфектыўнасць гэтых механізмаў накачкі, асабліва ў цвёрдацельных лазерах з дыёднай накачкай, была ў цэнтры ўвагі нядаўніх даследаванняў, прапаноўваючы больш высокую эфектыўнасць і кампактнасць.3].
Тэхнічныя меркаванні па эфектыўнасці помпаў
Эфектыўнасць працэсу накачкі з'яўляецца найважнейшым аспектам канструкцыі лазера, які ўплывае на агульную прадукцыйнасць і прыдатнасць да ўжывання. У цвёрдацельных лазерах выбар паміж лямпамі-імпульсамі і лазернымі дыёдамі ў якасці крыніцы накачкі можа істотна паўплываць на эфектыўнасць сістэмы, цеплавую нагрузку і якасць прамяня. Распрацоўка магутных, высокаэфектыўных лазерных дыёдаў рэвалюцыянізавала лазерныя сістэмы DPSS, дазволіўшы стварыць больш кампактныя і эфектыўныя канструкцыі.4].
Аптычны рэзанатар: распрацоўка лазернага прамяня
Праектаванне паражніны: баланс фізікі і інжынерыі
Аптычны рэзанатар, або рэзанатар, — гэта не проста пасіўны кампанент, а актыўны ўдзельнік фарміравання лазернага прамяня. Канструкцыя рэзанатара, у тым ліку крывізна і размяшчэнне люстэркаў, адыгрывае вырашальную ролю ў вызначэнні стабільнасці, структуры мод і выхаднога сігналу лазера. Рэзанатар павінен быць распрацаваны такім чынам, каб павялічыць аптычны каэфіцыент узмацнення пры мінімізацыі страт, што з'яўляецца задачай, якая аб'ядноўвае аптычную тэхніку з хвалевай оптыкай.5.
Умовы ваганняў і выбар рэжыму
Для ўзнікнення лазерных ваганняў узмацненне, якое забяспечваецца асяроддзем, павінна перавышаць страты ўнутры рэзанатара. Гэтая ўмова, разам з патрабаваннем суперпазіцыі кагерэнтных хваль, дыктуе, што падтрымліваюцца толькі пэўныя падоўжныя моды. Адлегласць паміж модамі і агульная структура мод залежаць ад фізічнай даўжыні рэзанатара і паказчыка праламлення асяроддзя ўзмацнення.6].
Выснова
Праектаванне і эксплуатацыя лазерных сістэм ахопліваюць шырокі спектр фізічных і інжынерных прынцыпаў. Ад квантавай механікі, якая кіруе асяроддзем узмацнення, да складанай інжынерыі аптычнага рэзанатара, кожны кампанент лазернай сістэмы адыгрывае жыццёва важную ролю ў яе агульнай функцыянальнасці. Гэты артыкул даў магчымасць зазірнуць у складаны свет лазерных тэхналогій, прапаноўваючы разуменне, якое адпавядае перадавым ведам прафесараў і інжынераў-оптыкаў у гэтай галіне.
Спасылкі
- 1. Зігман А. Е. (1986). Лазеры. Універсітэцкія навуковыя кнігі.
- 2. Свелта, О. (2010). Прынцыпы лазераў. Springer.
- 3. Кохнер, У. (2006). Інжынерыя цвёрдацельных лазераў. Springer.
- 4. Пайпер, Дж. А. і Мілдрэн, Р. П. (2014). Дыёдныя цвёрдацельныя лазеры з накачкай. У Даведніку па лазерных тэхналогіях і іх прымяненні (том III). CRC Press.
- 5. Мілоні, П. У. і Эберлі, Дж. Х. (2010). Лазерная фізіка. Wiley.
- 6. Сільфваст, У. Т. (2004). Асновы лазераў. Выдавецтва Кембрыджскага ўніверсітэта.
Час публікацыі: 27 лістапада 2023 г.