Подпишитесь на наши страницы в социальных сетях, чтобы получать оперативные публикации.
Лазеры, краеугольный камень современных технологий, столь же увлекательны, сколь и сложны. В их основе лежит симфония компонентов, работающих в унисон для получения когерентного, усиленного света. В этом блоге мы подробно рассмотрим тонкости работы этих компонентов, опираясь на научные принципы и уравнения, чтобы обеспечить более глубокое понимание лазерных технологий.
Углубленный анализ компонентов лазерных систем: технический взгляд для профессионалов.
| Компонент | Функция | Примеры |
| Усиление Средний | Усиливающая среда — это материал, используемый в лазере для усиления света. Она обеспечивает усиление света за счет процесса инверсии населенности и стимулированного излучения. Выбор усиливающей среды определяет характеристики излучения лазера. | Твердотельные лазерыНапример, Nd:YAG (легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат), используемый в медицине и промышленности.Газовые лазерыНапример, CO2-лазеры, используемые для резки и сварки.Полупроводниковые лазеры:Например, лазерные диоды, используемые в волоконно-оптической связи, и лазерные указки. |
| Источник перекачки | Источник накачки подает энергию в активную среду для достижения инверсии населенности (источник энергии для инверсии населенности), что позволяет работать лазеру. | Оптическая накачкаИспользование интенсивных источников света, таких как импульсные лампы, для накачки твердотельных лазеров.Электрический насосВозбуждение газа в газовых лазерах с помощью электрического тока.Накачка полупроводниковИспользование лазерных диодов для накачки твердотельного лазерного источника. |
| Оптический резонатор | Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, отражает свет, увеличивая длину пути света в активной среде и тем самым усиливая светосилу. Он обеспечивает механизм обратной связи для усиления лазерного излучения, выбирая спектральные и пространственные характеристики света. | Плоско-плоская полостьИспользуется в лабораторных исследованиях, имеет простую структуру.Плоско-вогнутая полостьШироко используется в промышленных лазерах, обеспечивает получение высококачественных лазерных лучей. Кольцевая полостьИспользуется в определенных конструкциях кольцевых лазеров, например, в кольцевых газовых лазерах. |
Усиливающая среда: взаимосвязь квантовой механики и оптической инженерии.
Квантовая динамика в среде усиления
Усиливающая среда — это среда, в которой происходит фундаментальный процесс усиления света, явление, глубоко укорененное в квантовой механике. Взаимодействие между энергетическими состояниями и частицами внутри среды регулируется принципами стимулированного излучения и инверсии населенности. Критическое соотношение между интенсивностью света (I), начальной интенсивностью (I0), сечением перехода (σ21) и числом частиц на двух энергетических уровнях (N2 и N1) описывается уравнением I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Достижение инверсии населенности, при которой N2 > N1, имеет важное значение для усиления и является краеугольным камнем лазерной физики.1].
Трехуровневые против четырехуровневых систем
В практических конструкциях лазеров обычно используются трехуровневые и четырехуровневые системы. Трехуровневые системы, хотя и проще, требуют больше энергии для достижения инверсии населенности, поскольку нижний лазерный уровень является основным состоянием. Четырехуровневые системы, с другой стороны, предлагают более эффективный путь к инверсии населенности благодаря быстрому безызлучательному распаду с более высокого энергетического уровня, что делает их более распространенными в современных лазерных приложениях.2].
Is Стекло, легированное эрбиемУсилитель сигнала?
Да, легированное эрбием стекло действительно является типом активной среды, используемой в лазерных системах. В этом контексте «легирование» относится к процессу добавления определенного количества ионов эрбия (Er³⁺) в стекло. Эрбий — это редкоземельный элемент, который при включении в стеклянную матрицу может эффективно усиливать свет за счет стимулированного излучения, фундаментального процесса в работе лазера.
Легированное эрбием стекло особенно примечательно своим применением в волоконных лазерах и волоконных усилителях, особенно в телекоммуникационной отрасли. Оно хорошо подходит для этих применений, поскольку эффективно усиливает свет на длинах волн около 1550 нм, что является ключевой длиной волны для волоконно-оптической связи из-за низких потерь в стандартных кварцевых волокнах.
Онэрбийионы поглощают свет накачки (часто отлазерный диодОни ) и переходят в более высокие энергетические состояния. При возвращении в более низкое энергетическое состояние они испускают фотоны на длине волны лазерного излучения, внося свой вклад в лазерный процесс. Это делает легированное эрбием стекло эффективной и широко используемой средой усиления в различных конструкциях лазеров и усилителей.
Похожие статьи в блоге: Новости - Легированное эрбием стекло: наука и применение
Механизмы накачки: движущая сила лазеров
Разнообразные подходы к достижению инверсии популяции
Выбор механизма накачки имеет решающее значение при проектировании лазеров, влияя на все — от эффективности до длины волны выходного излучения. Оптическая накачка с использованием внешних источников света, таких как импульсные лампы или другие лазеры, широко распространена в твердотельных и красительных лазерах. Методы электрического разряда обычно используются в газовых лазерах, в то время как в полупроводниковых лазерах часто применяется инжекция электронов. Эффективность этих механизмов накачки, особенно в твердотельных лазерах с диодной накачкой, стала важным направлением последних исследований, обеспечивая более высокую эффективность и компактность.3].
Технические аспекты эффективности насосной системы
Эффективность процесса накачки является критически важным аспектом проектирования лазера, влияющим на общую производительность и пригодность для применения. В твердотельных лазерах выбор между импульсными лампами и лазерными диодами в качестве источника накачки может существенно повлиять на эффективность системы, тепловую нагрузку и качество луча. Разработка мощных и высокоэффективных лазерных диодов произвела революцию в системах DPSS-лазеров, позволив создавать более компактные и эффективные конструкции.4].
Оптический резонатор: проектирование лазерного луча
Проектирование полостей: баланс физики и инженерии.
Оптический резонатор, или полость, является не просто пассивным компонентом, а активным участником формирования лазерного луча. Конструкция полости, включая кривизну и выравнивание зеркал, играет решающую роль в определении стабильности, структуры моды и выходной мощности лазера. Полость должна быть спроектирована таким образом, чтобы увеличить оптическое усиление при минимизации потерь, что является сложной задачей, сочетающей оптическую инженерию и волновую оптику.5.
Условия колебаний и выбор режима
Для возникновения лазерной генерации усиление, обеспечиваемое средой, должно превышать потери внутри резонатора. Это условие, в сочетании с требованием когерентной суперпозиции волн, диктует, что поддерживаются только определенные продольные моды. Расстояние между модами и общая структура мод зависят от физической длины резонатора и показателя преломления усиливающей среды.6].
Заключение
Проектирование и работа лазерных систем охватывают широкий спектр физических и инженерных принципов. От квантовой механики, управляющей активной средой, до сложной конструкции оптического резонатора, каждый компонент лазерной системы играет жизненно важную роль в ее общей функциональности. В этой статье представлен краткий обзор сложного мира лазерных технологий, предлагающий идеи, которые соответствуют углубленным знаниям профессоров и инженеров-оптиков в этой области.
Ссылки
- 1. Зигман А.Е. (1986). Лазеры. Университетские научные книги.
- 2. Свельто, О. (2010). Принципы работы лазеров. Springer.
- 3. Кёхнер, В. (2006). Твердотельная лазерная техника. Springer.
- 4. Пайпер, Дж. А., и Милдрен, Р. П. (2014). Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В книге «Справочник по лазерным технологиям и приложениям» (том III). CRC Press.
- 5. Милонни, П.В., и Эберли, Дж.Х. (2010). Физика лазеров. Wiley.
- 6. Силфаст, В.Т. (2004). Основы лазерной техники. Издательство Кембриджского университета.
Дата публикации: 27 ноября 2023 г.