Подпишитесь на наши социальные сети для быстрого поста
Лазеры, краеугольный камень современных технологий, столь же увлекательны, как и сложные. В их сердце лежит симфония компонентов, работающих в унисон, чтобы произвести последовательный, усиленный свет. Этот блог углубляется в тонкости этих компонентов, поддерживаемых научными принципами и уравнениями, чтобы обеспечить более глубокое понимание лазерной технологии.
Расширенное понимание компонентов лазерной системы: техническая перспектива для профессионалов
| Компонент | Функция | Примеры |
| Получить среду | Среда усиления - это материал в лазере, используемом для усиления света. Это облегчает усиление света посредством процесса инверсии популяции и стимулированного излучения. Выбор среды усиления определяет радиационные характеристики лазера. | Твердотельные лазеры: Например, ND: YAG (легированный неодимием иттрий-алюминиевый гранат), используемый в медицинском и промышленном применении.Газовые лазеры: например, лазеры CO2, используемые для резки и сварки.Полупроводниковые лазеры:Например, лазерные диоды, используемые в оптоволоконной связи и лазерных указателях. |
| Источник перекачки | Источник накачки обеспечивает энергию для среды усиления для достижения инверсии населения (источник энергии для инверсии населения), что обеспечивает лазерную работу. | Оптическая накачка: Использование интенсивных источников света, таких как Flashlamps для накачки твердотельных лазеров.Электрическая накачка: Захватывает газ в газовых лазерах через электрический ток.Полупроводник накачивает: Использование лазерных диодов для накачки твердотельной лазерной среды. |
| Оптическая полость | Оптическая полость, состоящая из двух зеркал, отражает свет, чтобы увеличить длину пути света в среде усиления, тем самым усиливая усиление света. Он обеспечивает механизм обратной связи для лазерной амплификации, выбирая спектральные и пространственные характеристики света. | Планарная полость: Используется в лабораторных исследованиях, простая структура.Планарно-концертная полость: Общие в промышленных лазерах, обеспечивает высококачественные балки. Кольцевая полость: Используется в определенных конструкциях кольцевых лазеров, таких как кольцевые газовые лазеры. |
Среда усиления: связь квантовой механики и оптической инженерии
Квантовая динамика в среде усиления
Среда усиления - это место, где происходит фундаментальный процесс усиления света, явление, глубоко укоренившееся в квантовой механике. Взаимодействие между энергетическими состояниями и частицами внутри среды регулируется принципами стимулированного излучения и инверсии популяции. Критическая связь между интенсивностью света (i), начальной интенсивностью (I0), перекрестным сечением (σ21) и числами частиц на двух уровнях энергии (N2 и N1) описывается уравнением I = I0E^(σ21 (N2-N1) L). Достижение инверсии населения, где N2> N1 необходим для усиления и является краеугольным камнем лазерной физики [1].
Трехуровневые и четырехуровневые системы
В практических лазерных проектах обычно используются трехуровневые и четырехуровневые системы. Трехуровневые системы, хотя и проще, требуют большей энергии для достижения инверсии населения, поскольку более низкий уровень лазера является основным состоянием. С другой стороны, четырехуровневые системы предлагают более эффективный путь к инверсии населения из-за быстрого нерадиативного распада от более высокого уровня энергии, что делает их более распространенными в современных лазерных приложениях [2].
Is Стекло, легированное Эрбиемсреда усиления?
Да, легированное эрбием стекло действительно является типом усиления среды, используемой в лазерных системах. В этом контексте «допинг» относится к процессу добавления определенного количества ионов эрбия (ER³⁺) в стекло. Эрбий является редкоземельным элементом, который при включении в стеклянный хозяин может эффективно усилить свет посредством стимулированного излучения, фундаментального процесса в лазерной работе.
Стекло, легированное эрбием, особенно примечательно благодаря его использованию в волокнистых лазерах и усилителях волокон, особенно в телекоммуникационной промышленности. Он хорошо подходит для этих приложений, потому что он эффективно усиливает свет на длине волн около 1550 нм, что является ключевой длиной волны для оптических волоконных коммуникаций из-за низких потерь в стандартных кремнеземах.
АЭрбийионы поглощают насосный свет (часто излазерный диод) и взволнованы состояниями с более высокой энергией. Когда они возвращаются в более низкое энергетическое состояние, они излучают фотоны на длине волны, способствуя лазерному процессу. Это делает легированное эрбием стеклом эффективной и широко используемой средой усиления в различных конструкциях лазера и усилителя.
Связанные блоги: Новости - Стекло легированного эрбиумом: наука и приложения
Механизмы накачки: движущая сила лазеров
Разнообразные подходы к достижению инверсии населения
Выбор механизма накачки имеет ключевое значение для лазерной конструкции, влияя на все, от эффективности до выходной длины волны. Оптическая накачка, используя внешние источники света, такие как флэш-карты или другие лазеры, распространена в твердотельных и красительных лазерах. Методы электрического разряда обычно используются в газовых лазерах, в то время как полупроводниковые лазеры часто используют впрыск электронов. Эффективность этих механизмов накачки, особенно в диодных твердотельных лазерах, была в центре последних исследований, предлагая более высокую эффективность и компактность [3].
Технические соображения в эффективности накачки
Эффективность процесса накачки является критическим аспектом лазерной конструкции, влияющей на общую производительность и пригодность применения. В твердотельных лазерах выбор между вспышками и лазерными диодами в качестве источника насоса может значительно повлиять на эффективность, тепловую нагрузку и качество пучка системы. Разработка высокоэффективных, высокоэффективных лазерных диодов произвела революцию в лазерных системах DPSS, что позволило более компактным и эффективным конструкциям [4].
Оптическая полость: разработка лазерного луча
Дизайн полости: балансирующий акт физики и инженерии
Оптическая полость, или резонатор, является не просто пассивным компонентом, а активным участником формирования лазерного луча. Дизайн полости, включая кривизну и выравнивание зеркал, играет решающую роль в определении стабильности, структуры моды и вывода лазера. Полость должна быть разработана для повышения оптического усиления при минимизации потерь, что сочетает в себе оптическую инженерию с оптикой волны5.
Условия колебаний и выбор режима
Для возникновения лазерного колебания усиление, предоставленное средством, должно превышать потери в пределах полости. Это условие в сочетании с требованием к суперпозиции когерентной волны диктует, что поддерживаются только определенные продольные моды. На расстояние между режимами и общая структура режима влияет физическая длина полости и показатель преломления среды усиления [6].
Заключение
Проектирование и эксплуатация лазерных систем охватывают широкий спектр принципов физики и инженерии. От квантовых механиков, регулирующих среду усиления, до сложной инженерии оптической полости, каждый компонент лазерной системы играет жизненно важную роль в ее общей функциональности. Эта статья дала представление о сложном мире лазерной технологии, предлагая идеи, которые резонируют с усовершенствованным пониманием профессоров и оптических инженеров в этой области.
Ссылки
- 1. Siegman, AE (1986). Лазеры. Университетские научные книги.
- 2. Svelto, O. (2010). Принципы лазеров. Спрингер.
- 3. Koechner, W. (2006). Твердовое лазерное проектирование. Спрингер.
- 4. Piper, Ja & Mildren, RP (2014). Диод накачал твердотельные лазеры. В Справочнике по лазерной технологии и приложениям (том III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Лазерная физика. Уайли.
- 6. Silfvast, WT (2004). Лазерные основы. Издательство Кембриджского университета.
Время поста: 27-2023 ноября