Подпишитесь на наши социальные сети, чтобы получать быстрые публикации
Лазеры, краеугольный камень современных технологий, столь же интересны, сколь и сложны. В их основе лежит симфония компонентов, работающих в унисон для создания когерентного, усиленного света. Этот блог углубляется в тонкости этих компонентов, опираясь на научные принципы и уравнения, чтобы обеспечить более глубокое понимание лазерных технологий.
Расширенное понимание компонентов лазерной системы: техническая перспектива для профессионалов
| Компонент | Функция | Примеры |
| Усиление среднее | Усиливающая среда — это материал в лазере, используемый для усиления света. Он способствует усилению света посредством процесса инверсии населенности и стимулированного излучения. Выбор усиливающей среды определяет характеристики излучения лазера. | Твердотельные лазеры: например, Nd:YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом), используемый в медицине и промышленности.Газовые лазеры: например, CO2-лазеры, используемые для резки и сварки.Полупроводниковые лазеры:например, лазерные диоды, используемые в волоконно-оптической связи и лазерных указках. |
| Источник накачки | Источник накачки подает энергию в усиливающую среду для достижения инверсии населенности (источник энергии для инверсии населенности), что обеспечивает работу лазера. | Оптическая накачка: Использование интенсивных источников света, таких как лампы-вспышки, для накачки твердотельных лазеров.Электрическая накачка: Возбуждение газа в газовых лазерах электрическим током.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 усиливающей среде, тем самым увеличивая усиление света. Он обеспечивает механизм обратной связи для усиления лазера, выбирая спектральные и пространственные характеристики света. | Планарно-планарная полость: Используется в лабораторных исследованиях, простая структура.Плоско-вогнутая полость: распространен в промышленных лазерах, обеспечивает лучи высокого качества. Кольцевая полость: Используется в определенных конструкциях кольцевых лазеров, например, в кольцевых газовых лазерах. |
Среда усиления: связь квантовой механики и оптической инженерии
Квантовая динамика в усиливающей среде
В усиливающей среде происходит фундаментальный процесс усиления света — явление, глубоко укоренившееся в квантовой механике. Взаимодействие между энергетическими состояниями и частицами внутри среды регулируется принципами вынужденного излучения и инверсии населенностей. Критическая связь 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 инверсной населенности, где N2 > N1, важно для усиления и является краеугольным камнем лазерной физики.1].
Трехуровневые и четырехуровневые системы
В практических конструкциях лазеров обычно используются трехуровневые и четырехуровневые системы. Трехуровневые системы, хотя и проще, требуют больше энергии для достижения инверсии населенности, поскольку нижний уровень лазера является основным состоянием. С другой стороны, четырехуровневые системы предлагают более эффективный путь к инверсии населенностей из-за быстрого безызлучательного распада с более высокого энергетического уровня, что делает их более распространенными в современных лазерных приложениях.2].
Is Стекло, легированное эрбиемсредство усиления?
Да, стекло, легированное эрбием, действительно является типом усиливающей среды, используемой в лазерных системах. В этом контексте «легирование» относится к процессу добавления к стеклу определенного количества ионов эрбия (Er³⁺). Эрбий — это редкоземельный элемент, который, будучи включенным в стеклянную основу, может эффективно усиливать свет посредством стимулированного излучения — фундаментального процесса в работе лазера.
Стекло, легированное эрбием, особенно примечательно тем, что его используют в волоконных лазерах и волоконных усилителях, особенно в телекоммуникационной отрасли. Он хорошо подходит для этих применений, 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.
эрбийионы поглощают свет накачки (часто отлазерный диод) и переходят в более высокие энергетические состояния. Когда они возвращаются в состояние с более низкой энергией, они излучают фотоны с длиной волны лазерной генерации, способствуя лазерному процессу. Это делает стекло, легированное эрбием, эффективной и широко используемой усиливающей средой в различных конструкциях лазеров и усилителей.
Похожие блоги: Новости - Стекло, легированное эрбием: наука и применение
Механизмы накачки: движущая сила лазеров
Разнообразные подходы к достижению инверсии населения
Выбор механизма накачки имеет решающее значение в конструкции лазера, влияя на все: от эффективности до длины волны излучения. Оптическая накачка с использованием внешних источников света, таких как лампы-вспышки или другие лазеры, широко распространена в твердотельных лазерах и лазерах на красителях. Методы электрического разряда обычно используются в газовых лазерах, тогда как в полупроводниковых лазерах часто используется инжекция электронов. Эффективность этих механизмов накачки, особенно в твердотельных лазерах с диодной накачкой, была в центре внимания недавних исследований, обеспечивая более высокую эффективность и компактность.3].
Технические аспекты эффективности перекачки
Эффективность процесса накачки является важнейшим аспектом конструкции лазера, влияющим на общую производительность и пригодность применения. В твердотельных лазерах выбор между лампами-вспышками 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 лазерных системах DPSS, позволив создавать более компактные и эффективные конструкции.4].
Оптический резонатор: разработка лазерного луча
Проектирование полостей: баланс между физикой и техникой
Оптический резонатор, или резонатор, — это не просто пассивный компонент, а активный участник формирования лазерного луча. Конструкция резонатора, включая кривизну и выравнивание зеркал, играет решающую роль в определении стабильности, модовой структуры и выходной мощности лазера. Резонатор должен быть спроектирован таким образом, чтобы увеличить оптический коэффициент усиления при минимизации потерь. Эта задача объединяет оптическую технику с волновой оптикой.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 требует поддержки только определенных продольных мод. На расстояние между модами и общую структуру мод влияют физическая длина резонатора и показатель преломления усиливающей среды.6].
Заключение
Проектирование и эксплуатация лазерных систем охватывают широкий спектр физических и инженерных принципов. От квантовой механики, управляющей усиливающей средой, до сложной конструкции оптического резонатора, каждый компонент лазерной системы играет жизненно важную роль в ее общей функциональности. Эта статья позволила взглянуть на сложный мир лазерных технологий и предложить идеи, которые перекликаются с передовыми знаниями профессоров и инженеров-оптиков в этой области.
Ссылки
- 1. Зигман А.Е. (1986). Лазеры. Университетские научные книги.
- 2. Свелто О. (2010). Принципы лазеров. Спрингер.
- 3. Кехнер, В. (2006). Твердотельная лазерная техника. Спрингер.
- 4. Пайпер Дж. А. и Милдрен Р. П. (2014). Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В Справочнике по лазерным технологиям и их применениям (Том III). ЦРК Пресс.
- 5. Милонни П.В. и Эберли Дж.Х. (2010). Лазерная физика. Уайли.
- 6. Сильфваст, WT (2004). Основы лазера. Издательство Кембриджского университета.
Время публикации: 27 ноября 2023 г.