Абонирайте се за нашите социални медии за бързи публикации
Лазерите, крайъгълен камък на съвременните технологии, са едновременно очарователни и сложни. В основата им се крие симфония от компоненти, работещи в унисон, за да произвеждат кохерентна, усилена светлина. Този блог се задълбочава в тънкостите на тези компоненти, подкрепен от научни принципи и уравнения, за да осигури по-задълбочено разбиране на лазерната технология.
Разширени познания за компонентите на лазерните системи: Техническа перспектива за професионалисти
| Компонент | Функция | Примери |
| Средно усилване | Усилващата среда е материалът в лазера, използван за усилване на светлината. Тя улеснява усилването на светлината чрез процеса на инверсия на популацията и стимулирано излъчване. Изборът на усилваща среда определя радиационните характеристики на лазера. | Твърдотелни лазеринапр. Nd:YAG (итриево-алуминиев гранат, легиран с неодим), използван в медицински и промишлени приложения.Газови лазеринапример CO2 лазери, използвани за рязане и заваряване.Полупроводникови лазери:напр. лазерни диоди, използвани в комуникацията с оптични влакна и лазерни показалки. |
| Източник на изпомпване | Източникът на помпене осигурява енергия на усилващата среда, за да се постигне инверсия на популацията (източникът на енергия за инверсия на популацията), което позволява работата на лазера. | Оптично изпомпванеИзползване на интензивни източници на светлина, като например светкавици, за генериране на твърдотелни лазери.Електрическо изпомпванеВъзбуждане на газа в газови лазери чрез електрически ток.Полупроводниково изпомпванеИзползване на лазерни диоди за напомпване на твърдотелната лазерна среда. |
| Оптична кухина | Оптичната кухина, състояща се от две огледала, отразява светлината, за да увеличи дължината на пътя на светлината в усилващата среда, като по този начин подобрява усилването на светлината. Тя осигурява механизъм за обратна връзка за лазерно усилване, като избира спектралните и пространствените характеристики на светлината. | Планарно-планарна кухинаИзползва се в лабораторни изследвания, проста структура.Планарно-вдлъбната кухинаЧесто срещан в индустриалните лазери, осигурява висококачествени лъчи. Кухина на пръстенаИзползва се в специфични конструкции на пръстеновидни лазери, като например пръстеновидни газови лазери. |
Усилващата среда: Връзка между квантовата механика и оптичното инженерство
Квантова динамика в средата на усилване
Усилващата среда е мястото, където протича фундаменталният процес на усилване на светлината, феномен, дълбоко вкоренен в квантовата механика. Взаимодействието между енергийните състояния и частиците в средата се управлява от принципите на стимулираната емисия и инверсията на популацията. Критичната връзка между интензитета на светлината (I), началния интензитет (I0), напречното сечение на прехода (σ21) и броя на частиците на двете енергийни нива (N2 и N1) се описва от уравнението I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Постигането на инверсия на популацията, където N2 > N1, е от съществено значение за усилването и е крайъгълен камък на лазерната физика.1].
Тристепенни срещу четиристепенни системи
В практическите лазерни конструкции обикновено се използват тристепенни и четиристепенни системи. Тристепенните системи, макар и по-прости, изискват повече енергия за постигане на инверсия на популацията, тъй като по-ниското лазерно ниво е основното състояние. Четиристепенните системи, от друга страна, предлагат по-ефективен път за инверсия на популацията поради бързото нерадиационно разпадане от по-високото енергийно ниво, което ги прави по-разпространени в съвременните лазерни приложения.2].
Is Стъкло, легирано с ербийсреда за усилване?
Да, стъклото, легирано с ербий, наистина е вид усилваща среда, използвана в лазерни системи. В този контекст „легиране“ се отнася до процеса на добавяне на определено количество ербиеви йони (Er³⁺) към стъклото. Ербият е рядкоземен елемент, който, когато е включен в стъклен хост, може ефективно да усилва светлината чрез стимулирана емисия, фундаментален процес в лазерната работа.
Стъклото, легирано с ербий, е особено забележително с употребата си във влакнести лазери и влакнести усилватели, особено в телекомуникационната индустрия. То е много подходящо за тези приложения, защото ефективно усилва светлината с дължини на вълните около 1550 nm, което е ключова дължина на вълната за оптични комуникации поради ниските си загуби в стандартните силициеви влакна.
Theербиййоните абсорбират помпена светлина (често отлазерен диод) и се възбуждат до по-високи енергийни състояния. Когато се върнат в по-ниско енергийно състояние, те излъчват фотони на дължината на вълната на лазерното генериране, допринасяйки за лазерния процес. Това прави легираното с ербий стъкло ефективна и широко използвана среда за усилване в различни лазерни и усилвателни конструкции.
Свързани блогове: Новини - Стъкло, легирано с ербий: Наука и приложения
Помпени механизми: Движещата сила зад лазерите
Разнообразни подходи за постигане на инверсия на популацията
Изборът на механизъм за изпомпване е от основно значение при проектирането на лазери, влияейки върху всичко - от ефективността до дължината на вълната на изхода. Оптичното изпомпване, използващо външни източници на светлина, като например флаш лампи или други лазери, е често срещано при твърдотелните и багрилните лазери. Методите за електроразряд обикновено се използват в газовите лазери, докато полупроводниковите лазери често използват инжектиране на електрони. Ефективността на тези механизми за изпомпване, особено в диодно-напомпаните твърдотелни лазери, е важен фокус на последните изследвания, предлагайки по-висока ефективност и компактност.3].
Технически съображения относно ефективността на изпомпването
Ефективността на процеса на изпомпване е критичен аспект от лазерния дизайн, влияещ върху цялостната производителност и пригодността за приложение. При твърдотелните лазери изборът между импулсни лампи и лазерни диоди като източник на изпомпване може значително да повлияе на ефективността на системата, термичното натоварване и качеството на лъча. Разработването на високомощни, високоефективни лазерни диоди революционизира DPSS лазерните системи, позволявайки по-компактни и ефективни конструкции.4].
Оптичната кухина: Инженеринг на лазерния лъч
Дизайн на кухини: Балансиращ акт между физика и инженерство
Оптичната кухина, или резонатор, не е просто пасивен компонент, а активен участник във формирането на лазерния лъч. Дизайнът на кухината, включително кривината и подравняването на огледалата, играе ключова роля при определянето на стабилността, структурата на модовете и изхода на лазера. Кухината трябва да бъде проектирана така, че да увеличи оптичното усилване, като същевременно минимизира загубите, предизвикателство, което съчетава оптичното инженерство с вълновата оптика.5.
Условия на трептене и избор на режим
За да се получи лазерно трептене, усилването, осигурено от средата, трябва да надвишава загубите в резонатора. Това условие, съчетано с изискването за кохерентна суперпозиция на вълните, диктува, че се поддържат само определени надлъжни модове. Разстоянието между модовете и общата структура на модовете се влияят от физическата дължина на резонатора и коефициента на пречупване на усилващата среда.6].
Заключение
Проектирането и работата на лазерните системи обхващат широк спектър от физични и инженерни принципи. От квантовата механика, управляваща усилващата среда, до сложното инженерство на оптичната кухина, всеки компонент на лазерната система играе жизненоважна роля в цялостната ѝ функционалност. Тази статия предоставя поглед към сложния свят на лазерните технологии, предлагайки прозрения, които резонират с напредналите познания на професори и оптични инженери в областта.
Референции
- 1. Siegman, AE (1986). Лазери. Университетски научни книги.
- 2. Свелто, О. (2010). Принципи на лазерите. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Твърдотелно лазерно инженерство. Springer.
- 4. Пайпър, Дж. А. и Милдрен, Р. П. (2014). Диодно напомпвани твърдотелни лазери. В Наръчник по лазерни технологии и приложения (том III). CRC Press.
- 5. Милони, П. У. и Еберли, Дж. Х. (2010). Лазерна физика. Wiley.
- 6. Силфваст, У. Т. (2004). Основи на лазерите. Cambridge University Press.
Време на публикуване: 27 ноември 2023 г.