Подпишитесь на наши социальные сети для получения быстрых публикаций
Лазеры, краеугольный камень современных технологий, столь же увлекательны, сколь и сложны. В их основе лежит симфония компонентов, работающих в унисон, создавая когерентный, усиленный свет. Этот блог подробно рассматривает тонкости работы этих компонентов, подкрепленные научными принципами и уравнениями, чтобы помочь глубже понять лазерную технологию.
Расширенный взгляд на компоненты лазерных систем: технический взгляд для профессионалов
| Компонент | Функция | Примеры |
| Средний уровень усиления | Усиливающая среда — это материал в лазере, используемый для усиления света. Он способствует усилению света посредством инверсии населённости и вынужденного излучения. Выбор усиливающей среды 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), что обеспечивает работу лазера. | Оптическая накачка: Использование интенсивных источников света, таких как лампы-вспышки, для накачки твердотельных лазеров.Электрическая насосная установка: Возбуждение газа в газовых лазерах посредством электрического тока.Полупроводниковая накачка: Использование лазерных диодов для накачки твердотельной лазерной среды. |
| Оптический резонатор | Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, отражает свет, увеличивая длину его пути в активной среде и тем самым усиливая усиление света. Он обеспечивает механизм обратной связи для усиления лазерного излучения, селектируя 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 определенных конструкциях кольцевых лазеров, например, кольцевых газовых лазеров. |
Среда усиления: связь квантовой механики и оптической инженерии
Квантовая динамика в среде усиления
В среде усиления происходит фундаментальный процесс усиления света – явление, глубоко укоренённое в квантовой механике. Взаимодействие между энергетическими состояниями и частицами в среде регулируется принципами вынужденного излучения и инверсии населённостей. 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 населённостей, когда N2 > N1, необходимо для усиления и является краеугольным камнем лазерной физики.1].
Трехуровневые и четырехуровневые системы
В практических лазерных конструкциях обычно используются трёх- и четырёхуровневые системы. Трёхуровневые системы, хотя и проще, требуют больше энергии для достижения инверсии населённости, поскольку нижний лазерный уровень является основным. Четырёхуровневые системы, с другой стороны, предлагают более эффективный способ достижения инверсии населённости благодаря быстрому безызлучательному распаду с более высокого энергетического уровня, что делает их более распространёнными в современных лазерных приложениях.2].
Is Стекло, легированное эрбиемусилительная среда?
Да, стекло, легированное эрбием, действительно является одним из видов усиливающей среды, используемой в лазерных системах. В данном контексте «легирование» означает процесс добавления в стекло определённого количества ионов эрбия (Er³⁺). Эрбий — редкоземельный элемент, который при введении в стеклянную основу может эффективно усиливать свет посредством вынужденного излучения — фундаментального процесса в работе лазера.
Эрбиевое 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, которые являются ключевой длиной волны для оптоволоконной связи благодаря низким потерям в стандартных кварцевых волокнах.
Theэрбийионы поглощают свет накачки (часто излазерный диод) и возбуждаются до более высоких энергетических состояний. Возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние, они испускают фотоны на длине волны генерации, способствуя лазерному процессу. Это делает эрбиевое стекло 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
Различные подходы к достижению инверсии населенности
Выбор механизма накачки играет ключевую роль в конструкции лазера, влияя на всё: от эффективности до длины волны выходного излучения. Оптическая накачка с использованием внешних источников света, таких как лампы-вспышки или другие лазеры, широко распространена в твердотельных лазерах и лазерах на красителях. В газовых лазерах обычно используются методы электрического разряда, тогда как в полупроводниковых лазерах часто используется инжекция электронов. Эффективность этих механизмов накачки, особенно в твердотельных лазерах с диодной накачкой, стала предметом значительных исследований в последнее время, обеспечивая более высокую эффективность и компактность.3].
Технические аспекты эффективности перекачки
Эффективность процесса накачки — критически важный аспект конструкции лазера, влияющий на общие характеристики и применимость. В твердотельных лазерах выбор между импульсными лампами и лазерными диодами в качестве источника накачки может существенно повлиять на эффективность системы, тепловую нагрузку и качество пучка. Разработка мощных и высокоэффективных лазерных диодов произвела революцию в области лазерных систем с диодной накачкой (DPSS), позволив создавать более компактные и эффективные конструкции.4].
Оптическая полость: проектирование лазерного луча
Проектирование полостей: баланс между физикой и инженерией
Оптический резонатор, или резонатор, — это не просто пассивный компонент, а активный участник формирования лазерного луча. Конструкция резонатора, включая кривизну и юстировку зеркал, играет решающую роль в определении стабильности, структуры мод и выходной мощности лазера. Резонатор должен быть спроектирован таким образом, чтобы увеличить оптическое усиление при минимизации потерь — задача, объединяющая 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, определяет поддержку только определённых продольных мод. 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 важнейшую роль в её общей функциональности. Эта статья позволила заглянуть в сложный мир лазерных технологий, предлагая идеи, соответствующие передовым знаниям профессоров и инженеров-оптиков в этой области.
Ссылки
- 1. Зигман А.Е. (1986). Лазеры. Университетские научные книги.
- 2. Свелто, 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 «Справочнике по лазерной технологии и 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.