Абонирайте се за нашите социални медии за бърза публикация
Лазерите, крайъгълен камък на съвременната технология, са толкова очарователни, колкото и сложни. В сърцето им лежи симфония от компоненти, работещи в унисон, за да произвеждат кохерентна, усилена светлина. Този блог се задълбочава в тънкостите на тези компоненти, подкрепени от научни принципи и уравнения, за да осигури по-задълбочено разбиране на лазерната технология.
Разширено вникване в компонентите на лазерната система: Техническа перспектива за професионалисти
| Компонент | функция | Примери |
| Печалба Средна | Усилващата среда е материалът в лазер, използван за усилване на светлината. Той улеснява усилването на светлината чрез процеса на инверсия на населението и стимулирано излъчване. Изборът на усилваща среда определя характеристиките на излъчване на лазера. | Твърдотелни лазери: напр. Nd:YAG (итриев алуминиев гранат с добавка на неодим), използван в медицински и индустриални приложения.Газови лазери: например CO2 лазери, използвани за рязане и заваряване.Полупроводникови лазери:напр. лазерни диоди, използвани във влакнесто-оптична комуникация и лазерни показалки. |
| Източник на изпомпване | Източникът на изпомпване осигурява енергия на усилващата среда за постигане на инверсия на популацията (източникът на енергия за инверсия на популацията), което позволява лазерна работа. | Оптично изпомпване: Използване на източници на интензивна светлина като флаш лампи за изпомпване на твърдотелни лазери.Електрическо изпомпване: Възбуждане на газа в газовите лазери чрез електрически ток.Полупроводниково изпомпване: Използване на лазерни диоди за изпомпване на твърдотелна 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. Той осигурява механизъм за обратна връзка за лазерно усилване, избирайки спектралните и пространствени характеристики на светлината. | Плоско-равнинна кухина: Използва се в лабораторни изследвания, проста структура.Планарно-вдлъбната кухина: Често срещан в индустриалните лазери, осигурява висококачествени лъчи. Пръстенова кухина: Използва се в специфични дизайни на пръстеновидни лазери, като пръстеновидни газови лазери. |
Средата за усилване: Връзка между квантовата механика и оптичното инженерство
Квантова динамика в усилващата среда
Усилващата среда е мястото, където се случва основният процес на усилване на светлината, феномен, дълбоко вкоренен в квантовата механика. Взаимодействието между енергийните състояния и частиците в средата се управлява от принципите на стимулирано излъчване и инверсия на населеността. 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 населението, 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 населението, тъй като по-ниското лазерно ниво е основното състояние. Системите с четири нива, от друга страна, предлагат по-ефективен път към инверсия на населението поради бързото нерадиационно разпадане от по-високото енергийно ниво, което ги прави по-разпространени в съвременните лазерни приложения [2].
Is Ербиево легирано стъклопечалба среда?
Да, легираното с ербий стъкло наистина е вид усилваща среда, използвана в лазерните системи. В този контекст „допинг“ 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 усили светлината чрез стимулирано излъчване, основен процес в лазерната работа.
Стъклото, легирано с ербий, е особено забележително с използването му във влакнести лазери и влакнести усилватели, особено в телекомуникационната индустрия. Той е много подходящ за тези приложения, тъй като ефективно усилва светлината при дължини на вълните около 1550 nm, което е ключова дължина на вълната за комуникации с оптични влакна поради ниските си загуби в стандартните силициеви влакна.
Theербиййони абсорбират светлината на помпата (често от aлазерен диод) и се възбуждат до по-високи енергийни състояния. Когато се върнат в по-ниско енергийно състояние, те излъчват фотони с дължина на вълната на лазера, допринасяйки за лазерния процес. Това прави легираното с ербий стъкло ефективна и широко използвана среда за усилване в различни конструкции на лазери и усилватели.
Свързани блогове: Новини - Ербиево легирано стъкло: наука и приложения
Помпени механизми: Движещата сила зад лазерите
Разнообразни подходи за постигане на инверсия на населението
Изборът на изпомпващ механизъм е основен в дизайна на лазера, като влияе върху всичко - от ефективността до изходната дължина на вълната. Оптичното изпомпване, използващо външни източници на светлина като флаш лампи или други лазери, е често срещано при твърдотелни и багрилни лазери. Методите с електрически разряд обикновено се използват в газовите лазери, докато полупроводниковите лазери често използват инжектиране на електрони. Ефективността на тези помпени механизми, особено в лазерите с диодно изпомпване в твърдо състояние, е важен фокус на последните изследвания, предлагайки по-висока ефективност и компактност [3].
Технически съображения за ефективност на изпомпване
Ефективността на процеса на изпомпване е критичен аспект на дизайна на лазера, който оказва влияние върху цялостната производителност и пригодността на приложението. В твърдотелните лазери изборът между флаш лампи и лазерни диоди като източник на помпа може значително да повлияе на ефективността на системата, термичното натоварване и качеството на лъча. Разработването на лазерни диоди с висока мощност и висока ефективност направи революция в DPSS лазерните системи, позволявайки по-компактни и ефективни конструкции [4].
Оптичната кухина: Проектиране на лазерния лъч
Дизайн на кухина: балансиращ акт на физиката и инженерството
Оптичната кухина или резонаторът не е просто пасивен компонент, а активен участник в оформянето на лазерния лъч. Дизайнът на кухината, включително кривината и подравняването на огледалата, играе решаваща роля при определяне на стабилността, структурата на режима и изхода на лазера. Кухината трябва да бъде проектирана така, че да подобри оптичното усилване, като същевременно минимизира загубите, предизвикателство, което комбинира оптично инженерство с вълнова оптика5.
Условия на трептене и избор на режим
За да възникне лазерно трептене, усилването, осигурено от средата, трябва да надвишава загубите в кухината. Това условие, съчетано с изискването за кохерентна суперпозиция на вълната, диктува, че се поддържат само определени надлъжни режими. Разстоянието между модовете и цялостната структура на модовете се влияят от физическата дължина на кухината и индекса на пречупване на усилващата среда [6].
Заключение
Проектирането и работата на лазерните системи обхваща широк спектър от физични и инженерни принципи. От квантовата механика, управляваща усилващата среда до сложното инженерство на оптичната кухина, всеки компонент на лазерна система играе жизненоважна роля в нейната цялостна функционалност. Тази статия предостави поглед към сложния свят на лазерната технология, 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. Спрингър.
- 3. Koechner, W. (2006). Твърдотелно лазерно инженерство. Спрингър.
- 4. Piper, JA, & Mildren, RP (2014). Твърдотелни лазери с диодна помпа. В Наръчник за лазерни технологии и приложения (том III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Лазерна физика. Уайли.
- 6. Silfvast, WT (2004). Основи на лазера. Cambridge University Press.
Време на публикуване: 27 ноември 2023 г