Naročite se na naše družbene medije za hitro objavo
Laserji, temelj sodobne tehnologije, so tako fascinantni kot zapleteni. V njihovem srcu je simfonija komponent, ki delujejo usklajeno in proizvajajo koherentno, ojačano svetlobo. Ta blog se poglobi v zapletenost teh komponent, podprto z znanstvenimi načeli in enačbami, da zagotovi globlje razumevanje laserske tehnologije.
Napredni vpogled v komponente laserskega sistema: tehnična perspektiva za strokovnjake
| Komponenta | funkcija | Primeri |
| Pridobite Srednje | Ojačevalni medij je material v laserju, ki se uporablja za ojačanje svetlobe. Olajša ojačanje svetlobe s postopkom inverzije populacije in stimulirane emisije. Izbira ojačitvenega medija določa značilnosti sevanja laserja. | Polprevodniški laserji: npr. Nd:YAG (itrijev aluminijev granat, dopiran z neodimom), ki se uporablja v medicini in industriji.Plinski laserji: npr. CO2 laserji, ki se uporabljajo za rezanje in varjenje.Polprevodniški laserji:npr. laserske diode, ki se uporabljajo v komunikaciji z optičnimi vlakni in laserskimi kazalci. |
| Vir črpanja | Vir črpanja zagotavlja energijo ojačevalnemu mediju, da se doseže populacijska inverzija (vir energije za populacijsko inverzijo), kar omogoča delovanje laserja. | Optično črpanje: Uporaba intenzivnih svetlobnih virov, kot so bliskavice, za črpanje polprevodniških laserjev.Električno črpanje: Vzbujanje plina v plinskih laserjih z električnim tokom.Polprevodniško črpanje: Uporaba laserskih diod za črpanje polprevodniškega laserskega medija. |
| Optična votlina | Optična votlina, sestavljena iz dveh zrcal, odbija svetlobo, da poveča dolžino svetlobne poti v ojačevalnem mediju in s tem poveča ojačitev svetlobe. Zagotavlja povratni mehanizem za lasersko ojačanje, izbira spektralne in prostorske značilnosti svetlobe. | Planarna-planarna votlina: Uporablja se v laboratorijskih raziskavah, preprosta struktura.Planarno-konkavna votlina: Običajno v industrijskih laserjih, zagotavlja visokokakovostne žarke. Obročna votlina: Uporablja se v posebnih izvedbah obročnih laserjev, kot so obročni plinski laserji. |
Ojačevalni medij: povezava kvantne mehanike in optičnega inženirstva
Kvantna dinamika v ojačevalnem mediju
Ojačevalni medij je tam, kjer se pojavi temeljni proces ojačanja svetlobe, pojav, ki je globoko zakoreninjen v kvantni mehaniki. Interakcija med energijskimi stanji in delci v mediju je urejena po principih stimulirane emisije in populacijske inverzije. Kritično razmerje med jakostjo svetlobe (I), začetno jakostjo (I0), prehodnim presekom (σ21) in številom delcev na dveh energijskih nivojih (N2 in N1) opisuje enačba I = I0e^ (σ21(N2-N1)L). Doseganje populacijske inverzije, kjer je N2 > N1, je bistveno za ojačanje in je temelj laserske fizike[1].
Trinivojski proti štirinivojskim sistemom
V praktičnih laserskih zasnovah se običajno uporabljajo trinivojski in štirinivojski sistemi. Čeprav so trinivojski sistemi enostavnejši, potrebujejo več energije za doseganje inverzije prebivalstva, saj je nižji laserski nivo osnovno stanje. Štirinivojski sistemi po drugi strani ponujajo učinkovitejšo pot do populacijske inverzije zaradi hitrega brezsevalnega razpada z višje energijske ravni, zaradi česar so bolj razširjeni v sodobnih laserskih aplikacijah [2].
Is Steklo, dopirano z erbijempridobitveni medij?
Da, z erbijem dopirano steklo je res vrsta ojačitvenega medija, ki se uporablja v laserskih sistemih. V tem kontekstu se "doping" nanaša na postopek dodajanja določene količine erbijevih ionov (Er³⁺) steklu. Erbij je redkozemeljski element, ki lahko, če je vgrajen v stekleni gostitelj, učinkovito ojača svetlobo s stimulirano emisijo, temeljnim procesom pri delovanju laserja.
Steklo, dopirano z erbijem, je še posebej opazno zaradi svoje uporabe v vlakenskih laserjih in optičnih ojačevalnikih, zlasti v telekomunikacijski industriji. Je zelo primeren za te aplikacije, saj učinkovito ojača svetlobo pri valovnih dolžinah okoli 1550 nm, ki je ključna valovna dolžina za komunikacije z optičnimi vlakni zaradi nizkih izgub v standardnih silicijevih vlaknih.
Theerbijioni absorbirajo svetlobo črpalke (pogosto iz alaserska dioda) in so vzburjeni v višja energijska stanja. Ko se vrnejo v nižje energijsko stanje, oddajajo fotone na valovni dolžini laserja, kar prispeva k laserskemu procesu. Zaradi tega je steklo, dopirano z erbijem, učinkovit in široko uporabljen ojačitveni medij v različnih oblikah laserjev in ojačevalnikov.
Sorodni spletni dnevniki: Novice - steklo, dopirano z erbijem: znanost in aplikacije
Črpalni mehanizmi: gonilna sila laserjev
Različni pristopi k doseganju populacijske inverzije
Izbira črpalnega mehanizma je ključnega pomena pri oblikovanju laserja, saj vpliva na vse, od učinkovitosti do izhodne valovne dolžine. Optično črpanje z uporabo zunanjih svetlobnih virov, kot so bliskavice ali drugi laserji, je običajno pri polprevodniških in barvnih laserjih. Metode električnega praznjenja se običajno uporabljajo v plinskih laserjih, medtem ko polprevodniški laserji pogosto uporabljajo vbrizgavanje elektronov. Učinkovitost teh črpalnih mehanizmov, zlasti pri polprevodniških laserjih z diodnim črpanjem, je bila v središču nedavnih raziskav, saj ponuja večjo učinkovitost in kompaktnost [3].
Tehnični vidiki učinkovitosti črpanja
Učinkovitost procesa črpanja je kritičen vidik zasnove laserja, ki vpliva na splošno zmogljivost in primernost uporabe. Pri polprevodniških laserjih lahko izbira med bliskavicami in laserskimi diodami kot virom črpalke bistveno vpliva na učinkovitost sistema, toplotno obremenitev in kakovost žarka. Razvoj zmogljivih laserskih diod z visokim izkoristkom je revolucioniral laserske sisteme DPSS ter omogočil bolj kompaktne in učinkovite modele [4].
Optična votlina: Izdelava laserskega žarka
Oblikovanje votline: uravnovešanje fizike in tehnike
Optična votlina ali resonator ni le pasivna komponenta, temveč aktivni udeleženec pri oblikovanju laserskega žarka. Zasnova votline, vključno z ukrivljenostjo in poravnavo zrcal, igra ključno vlogo pri določanju stabilnosti, strukture načina in izhoda laserja. Votlina mora biti zasnovana tako, da izboljša optični dobiček in hkrati zmanjša izgube, kar je izziv, ki združuje optično inženirstvo z valovno optiko5.
Pogoji nihanja in izbira načina
Da pride do laserskega nihanja, mora dobiček, ki ga zagotavlja medij, preseči izgube v votlini. Ta pogoj, skupaj z zahtevo po koherentni valovni superpoziciji, narekuje, da so podprti samo nekateri vzdolžni načini. Na razmik med modami in celotno strukturo modov vplivata fizična dolžina votline in lomni količnik ojačitvenega medija [6].
Zaključek
Zasnova in delovanje laserskih sistemov zajemata širok spekter fizikalnih in inženirskih principov. Od kvantne mehanike, ki ureja ojačitveni medij, do zapletenega inženiringa optične votline, igra vsaka komponenta laserskega sistema ključno vlogo pri njegovi splošni funkcionalnosti. Ta članek je ponudil vpogled v zapleten svet laserske tehnologije in ponudil vpoglede, ki odmevajo z naprednim razumevanjem profesorjev in optičnih inženirjev na tem področju.
Reference
- 1. Siegman, AE (1986). Laserji. Univerzitetne znanstvene knjige.
- 2. Svelto, O. (2010). Načela laserjev. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Polprevodniški laserski inženiring. Springer.
- 4. Piper, JA in Mildren, RP (2014). Polprevodniški laserji z diodnim črpanjem. V Priročniku za lasersko tehnologijo in aplikacije (zv. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW in Eberly, JH (2010). Laserska fizika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Osnove laserja. Cambridge University Press.
Čas objave: 27. nov. 2023