Naročite se na naša družbena omrežja za hitre objave
Laserji, temelj sodobne tehnologije, so prav tako fascinantni kot kompleksni. V njihovem srcu leži simfonija komponent, ki delujejo usklajeno in proizvajajo koherentno, ojačano svetlobo. Ta blog se poglobi v zapletenost teh komponent, podprt z znanstvenimi načeli in enačbami, da bi zagotovil globlje razumevanje laserske tehnologije.
Napredni vpogledi v komponente laserskih sistemov: Tehnična perspektiva za strokovnjake
| Komponenta | Funkcija | Primeri |
| Srednje pridobitev | Ojačevalni medij je material v laserju, ki se uporablja za ojačanje svetlobe. Omogoča ojačanje svetlobe s postopkom inverzije populacije in stimulirane emisije. Izbira ojačevalnega medija določa sevalne lastnosti laserja. | Trdni laserjinpr. Nd:YAG (z neodimom dopiran itrijev aluminijev granat), ki se uporablja v medicinskih in industrijskih aplikacijah.Plinski laserjinpr. CO2 laserji, ki se uporabljajo za rezanje in varjenje.Polprevodniški laserji:npr. laserske diode, ki se uporabljajo v komunikaciji z optičnimi vlakni in laserskih kazalcih. |
| Črpalni vir | Črpalni vir zagotavlja energijo ojačevalnemu mediju za doseganje inverzije populacije (vir energije za inverzijo populacije), kar omogoča delovanje laserja. | Optično črpanjeUporaba intenzivnih svetlobnih virov, kot so bliskavice, za črpanje trdnih laserjev.Električno črpanjeVzbujanje plina v plinskih laserjih z električnim tokom.Polprevodniško črpanjeUporaba laserskih diod za črpanje trdno-snovnega laserskega medija. |
| Optična votlina | Optična votlina, sestavljena iz dveh ogledal, odbija svetlobo in s tem povečuje dolžino poti svetlobe v ojačevalnem mediju, s čimer se izboljša ojačanje svetlobe. Zagotavlja mehanizem povratne zanke za lasersko ojačanje, ki izbira spektralne in prostorske značilnosti svetlobe. | Planarno-planarna votlinaUporablja se v laboratorijskih raziskavah, preprosta struktura.Planarno-konkavna votlinaPogost pri industrijskih laserjih, zagotavlja visokokakovostne žarke. Obročasta votlinaUporablja se v specifičnih izvedbah obročnih laserjev, kot so obročni plinski laserji. |
Ojačevalni medij: povezava kvantne mehanike in optičnega inženirstva
Kvantna dinamika v ojačanem mediju
Ojačevalni medij je mesto, kjer se odvija temeljni proces ojačanja svetlobe, pojav, ki je globoko zakoreninjen v kvantni mehaniki. Interakcijo med energijskimi stanji in delci v mediju urejajo načela stimulirane emisije in populacijske inverzije. Kritično razmerje med intenzivnostjo svetlobe (I), začetno intenzivnostjo (I0), prečnim prerezom prehoda (σ21) in številom delcev na obeh 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].
Tristopenjski v primerjavi s štiristopenjskimi sistemi
V praktičnih laserskih zasnovah se pogosto uporabljajo trinivojski in štirinivojski sistemi. Trinivojski sistemi so sicer enostavnejši, vendar za doseganje inverzije populacije potrebujejo več energije, saj je nižja laserska raven osnovno stanje. Štirinivojski sistemi pa ponujajo učinkovitejšo pot do inverzije populacije zaradi hitrega neradiativnega razpada z višje energijske ravni, zaradi česar so bolj razširjeni v sodobnih laserskih aplikacijah.2].
Is Steklo, dopirano z erbijemmedij za pridobivanje?
Da, steklo, dopirano z erbijem, je resnično vrsta ojačevalnega medija, ki se uporablja v laserskih sistemih. V tem kontekstu se "dopiranje" nanaša na postopek dodajanja določene količine erbijevih ionov (Er³⁺) steklu. Erbij je redek zemeljski element, ki lahko, ko je vključen v stekleno nosilno tekočino, učinkovito ojača svetlobo s stimulirano emisijo, kar je temeljni proces pri delovanju laserja.
Steklo, dopirano z erbijem, je še posebej znano po uporabi v vlakenskih laserjih in vlakenskih ojačevalnikih, zlasti v telekomunikacijski industriji. Za te aplikacije je zelo primerno, ker učinkovito ojača svetlobo pri valovnih dolžinah okoli 1550 nm, kar je ključna valovna dolžina za komunikacijo z optičnimi vlakni zaradi nizkih izgub v standardnih silicijevih vlaknih.
Theerbijioni absorbirajo črpalno svetlobo (pogosto izlaserska dioda) in se vzbujajo v višja energijska stanja. Ko se vrnejo v nižje energijsko stanje, oddajajo fotone na valovni dolžini laserskega sevanja, kar prispeva k laserskemu procesu. Zaradi tega je steklo, dopirano z erbijem, učinkovit in široko uporabljen ojačevalni medij v različnih zasnovah laserjev in ojačevalnikov.
Povezani blogi: Novice - Steklo, dopirano z erbijem: znanost in uporaba
Črpalni mehanizmi: Gonilna sila laserjev
Različni pristopi k doseganju inverzije populacije
Izbira črpalnega mehanizma je ključnega pomena pri zasnovi laserja in vpliva na vse, od učinkovitosti do izhodne valovne dolžine. Optično črpanje z uporabo zunanjih svetlobnih virov, kot so bliskavice ali drugi laserji, je pogosto pri trdnih in barvilnih laserjih. Metode električnega praznjenja se običajno uporabljajo pri plinskih laserjih, medtem ko polprevodniški laserji pogosto uporabljajo vbrizgavanje elektronov. Učinkovitost teh črpalnih mehanizmov, zlasti pri trdnih laserjih z diodnim črpanjem, je bila v središču nedavnih raziskav, saj ponuja večjo učinkovitost in kompaktnost.3].
Tehnični vidiki učinkovitosti črpanja
Učinkovitost črpalnega procesa je ključni vidik zasnove laserja, ki vpliva na splošno zmogljivost in primernost uporabe. Pri trdnih laserjih lahko izbira med bliskavicami in laserskimi diodami kot virom črpanja bistveno vpliva na učinkovitost sistema, toplotno obremenitev in kakovost žarka. Razvoj visokozmogljivih laserskih diod z visokim izkoristkom je revolucioniral laserske sisteme DPSS, kar omogoča bolj kompaktne in učinkovite zasnove.4].
Optična votlina: Inženiring laserskega žarka
Zasnova votlin: ravnovesje med fiziko in inženirstvom
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 modov in izhoda laserja. Votlina mora biti zasnovana tako, da poveča optični dobiček, hkrati pa zmanjša izgube, kar je izziv, ki združuje optično tehniko z valovno optiko.5.
Pogoji nihanja in izbira načina
Da bi prišlo do laserskega nihanja, mora ojačanje, ki ga zagotavlja medij, presegati izgube v votlini. Ta pogoj, skupaj z zahtevo po superpoziciji koherentnega valovanja, narekuje, da so podprti le določeni vzdolžni načini. Na razmik med načini in celotno strukturo načinov vplivata fizična dolžina votline in lomni količnik ojačajočega medija.6].
Zaključek
Zasnova in delovanje laserskih sistemov zajema širok spekter fizikalnih in inženirskih načel. Od kvantne mehanike, ki ureja ojačevalni medij, do zapletenega inženiringa optične votline, vsaka komponenta laserskega sistema igra ključno vlogo pri njegovem celotnem delovanju. Ta članek je ponudil vpogled v kompleksen svet laserske tehnologije in vpoglede, ki so v skladu 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). Inženiring trdnih laserjev. Springer.
- 4. Piper, JA in Mildren, RP (2014). Diodno črpani trdnotesni laserji. V Priročniku za lasersko tehnologijo in uporabo (zv. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW in Eberly, JH (2010). Laserska fizika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Osnove laserske tehnologije. Cambridge University Press.
Čas objave: 27. november 2023