Подпишитесь на наши социальные сети для получения оперативных публикаций
Лазеры, краеугольный камень современных технологий, столь же увлекательны, сколь и сложны. В их основе лежит симфония компонентов, работающих в унисон для создания когерентного, усиленного света. Этот блог углубляется в тонкости этих компонентов, подкрепленных научными принципами и уравнениями, чтобы обеспечить более глубокое понимание лазерной технологии.
Расширенные сведения о компонентах лазерных систем: техническая перспектива для профессионалов
| Компонент | Функция | Примеры |
| Средний уровень усиления | Среда усиления — это материал в лазере, используемый для усиления света. Он обеспечивает усиление света посредством процесса инверсии населенности и вынужденного излучения. Выбор среды усиления определяет характеристики излучения лазера. | Твердотельные лазеры: например, Nd:YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом), используемый в медицинских и промышленных целях.Газовые лазеры: например, CO2-лазеры, используемые для резки и сварки.Полупроводниковые лазеры:например, лазерные диоды, используемые в волоконно-оптической связи и лазерных указках. |
| Источник перекачки | Источник накачки подает энергию в активную среду для достижения инверсии населенности (источник энергии для инверсии населенности), обеспечивая работу лазера. | Оптическая накачка: Использование интенсивных источников света, таких как лампы-вспышки, для накачки твердотельных лазеров.Электрическая насосная установка: Возбуждение газа в газовых лазерах с помощью электрического тока.Полупроводниковая накачка: Использование лазерных диодов для накачки твердотельной лазерной среды. |
| Оптический резонатор | Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, отражает свет, увеличивая длину пути света в среде усиления, тем самым усиливая усиление света. Он обеспечивает механизм обратной связи для усиления лазера, выбирая спектральные и пространственные характеристики света. | Плоско-плоская полость: Используется в лабораторных исследованиях, простая структура.Плоско-вогнутая полость: Распространено в промышленных лазерах, обеспечивает высококачественные лучи. Кольцевая полость: Используется в особых 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 укорененное в квантовой механике. Взаимодействие между энергетическими состояниями и частицами в среде регулируется принципами вынужденного 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, где N2 > N1, необходимо для усиления и является краеугольным камнем лазерной физики[1].
Трехуровневые и четырехуровневые системы
В практических конструкциях лазеров обычно используются трех- и четырехуровневые системы. Трехуровневые системы, хотя и проще, требуют больше энергии для достижения инверсии населенности, поскольку нижний уровень лазера является основным состоянием. Четырехуровневые системы, с другой стороны, предлагают более эффективный путь к инверсии населенности из-за быстрого безызлучательного распада с более высокого энергетического уровня, что делает их более распространенными в современных лазерных приложениях[2].
Is Стекло, легированное эрбиемусиливающая среда?
Да, легированное эрбием стекло действительно является типом усиливающей 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 основу может эффективно усиливать свет посредством вынужденного излучения, фундаментального процесса в работе лазера.
Эрбиевое легированное стекло особенно известно своим использованием в волоконных лазерах и волоконных усилителях, особенно в телекоммуникационной отрасли. Оно хорошо подходит для этих приложений, поскольку эффективно усиливает свет на длинах волн около 1550 нм, что является ключевой длиной волны для оптоволоконной связи из-за низких потерь в стандартных кварцевых волокнах.
Theэрбийионы поглощают свет накачки (часто отлазерный диод) и возбуждаются до более высоких энергетических состояний. Когда они возвращаются в более низкое энергетическое состояние, они испускают фотоны на длине волны лазерной генерации, способствуя лазерному процессу. Это делает эрбиевое стекло эффективной и широко используемой усиливающей средой в различных конструкциях лазеров и усилителей.
Похожие блоги: Новости - Эрбиевое стекло: наука и применение
Механизмы накачки: движущая сила лазеров
Различные подходы к достижению инверсии населения
Выбор механизма накачки имеет решающее значение в конструкции лазера, влияя на все, от эффективности до выходной длины волны. Оптическая накачка с использованием внешних источников света, таких как импульсные лампы или другие лазеры, распространена в твердотельных лазерах и лазерах на красителях. Методы электрического разряда обычно используются в газовых лазерах, в то время как полупроводниковые лазеры часто используют инжекцию электронов. Эффективность этих механизмов накачки, особенно в твердотельных лазерах с диодной накачкой, стала важным направлением недавних исследований, предлагая более высокую эффективность и компактность[3].
Технические аспекты эффективности перекачки
Эффективность процесса накачки является критическим аспектом конструкции лазера, влияющим на общую производительность и пригодность 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 высокомощных, высокоэффективных лазерных диодов произвела революцию в системах лазеров DPSS, позволив создавать более компактные и эффективные конструкции[4].
Оптическая полость: проектирование лазерного луча
Проектирование полостей: баланс между физикой и инженерией
Оптическая полость, или резонатор, 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 мод и выходной мощности лазера. Полость должна быть спроектирована так, чтобы увеличить оптическое усиление при минимизации потерь, задача, которая объединяет оптическую инженерию с волновой оптикой5.
Условия колебаний и выбор режима
Для возникновения лазерной генерации усиление, обеспечиваемое средой, должно превышать потери внутри полости. Это условие, в сочетании с требованием когерентной суперпозиции волн, диктует, что поддерживаются только определенные продольные моды. Интервал между модами и общая структура мод зависят от физической длины полости и показателя преломления усиливающей среды[6].
Заключение
Проектирование и эксплуатация лазерных систем охватывают широкий спектр физических и инженерных принципов. От квантовой механики, управляющей средой усиления, до сложной инженерии оптического резонатора, каждый компонент лазерной системы играет жизненно важную роль в ее общей функциональности. Эта статья дала возможность заглянуть в сложный мир лазерных технологий, предлагая идеи, которые резонируют с передовыми знаниями профессоров и оптических инженеров в этой области.
Ссылки
- 1. Зигман А.Е. (1986). Лазеры. Университетские научные книги.
- 2. Свелто, О. (2010). Принципы лазеров. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Твердотельная лазерная техника. Springer.
- 4. Пайпер, Дж. А. и Милдрен, Р. П. (2014). Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В Справочнике по лазерным технологиям и их применению (т. III). CRC Press.
- 5. Милонни, П. В. и Эберли, Дж. Х. (2010). Физика лазеров. Wiley.
- 6. Силфваст, У. Т. (2004). Основы лазерной техники. Издательство Кембриджского университета.
Время публикации: 27 ноября 2023 г.