Přihlaste se k odběru našich sociálních médií pro rychlé zveřejnění
Lasery, základní kámen moderní technologie, jsou fascinující stejně jako složité. V jejich srdci se nachází symfonie komponent, které pracují v souladu a produkují koherentní, zesílené světlo. Tento blog se ponořuje do složitostí těchto komponent, podpořených vědeckými principy a rovnicemi, aby poskytl hlubší pochopení laserové technologie.
Pokročilé poznatky o komponentách laserových systémů: Technická perspektiva pro profesionály
| Komponent | Funkce | Příklady |
| Zisk střední | Zesilovací médium je materiál v laseru používaný k zesilování světla. Usnadňuje zesílení světla procesem populační inverze a stimulované emise. Volba zesilovacího média určuje vyzařovací charakteristiky laseru. | Pevnolátkové laserynapř. Nd:YAG (neodymem dopovaný yttrium-hlinitý granát), používaný v lékařských a průmyslových aplikacích.Plynové laserynapř. CO2 lasery, používané pro řezání a svařování.Polovodičové lasery:např. laserové diody používané v komunikaci optickými vlákny a laserová ukazovátka. |
| Čerpací zdroj | Čerpací zdroj dodává energii zesilovacímu médiu k dosažení populační inverze (zdroj energie pro populační inverzi), což umožňuje provoz laseru. | Optické pumpováníPoužití intenzivních světelných zdrojů, jako jsou zábleskové lampy, k buzení laserů v pevné fázi.Elektrické čerpadloBuzení plynu v plynových laserech elektrickým proudem.Polovodičové čerpáníPoužití laserových diod k buzení laserového média v pevné fázi. |
| Optická dutina | Optická dutina, sestávající ze dvou zrcadel, odráží světlo a zvětšuje tak délku dráhy světla v zesilovacím médiu, čímž se zvyšuje zesílení světla. Poskytuje mechanismus zpětné vazby pro laserové zesílení, který volí spektrální a prostorové charakteristiky světla. | Planární-planární dutinaPoužívá se v laboratorním výzkumu, jednoduchá struktura.Planárně-konkávní dutinaBěžné u průmyslových laserů, poskytuje vysoce kvalitní paprsky. Dutina prstencePoužívá se ve specifických provedeních prstencových laserů, jako jsou prstencové plynové lasery. |
Ziskové médium: Spojení kvantové mechaniky a optického inženýrství
Kvantová dynamika v zesilovacím médiu
Ziskové médium je místem, kde dochází k základnímu procesu zesilování světla, což je jev hluboce zakořeněný v kvantové mechanice. Interakce mezi energetickými stavy a částicemi v médiu se řídí principy stimulované emise a populační inverze. Kritický vztah mezi intenzitou světla (I), počáteční intenzitou (I0), průřezem přechodu (σ21) a počtem částic na dvou energetických hladinách (N2 a N1) je popsán rovnicí I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Dosažení populační inverze, kde N2 > N1, je nezbytné pro zesílení a je základním kamenem laserové fyziky.1].
Tříúrovňové vs. čtyřúrovňové systémy
V praktických laserových konstrukcích se běžně používají tříúrovňové a čtyřúrovňové systémy. Tříúrovňové systémy, i když jsou jednodušší, vyžadují k dosažení populační inverze více energie, protože nižší laserová hladina je základní stav. Čtyřúrovňové systémy naopak nabízejí efektivnější cestu k populační inverzi díky rychlému neradiačnímu rozpadu z vyšší energetické hladiny, což je činí rozšířenějšími v moderních laserových aplikacích.2].
Is Sklo dopované erbiemziskové médium?
Ano, sklo dopované erbiem je skutečně typem zesilovacího média používaného v laserových systémech. V této souvislosti se „dopování“ vztahuje na proces přidávání určitého množství iontů erbia (Er³⁺) do skla. Erbium je prvek vzácných zemin, který po zabudování do skleněného nosiče může účinně zesilovat světlo prostřednictvím stimulované emise, což je základní proces v laserovém provozu.
Sklo dopované erbiem je obzvláště pozoruhodné pro své použití ve vláknových laserech a vláknových zesilovačích, zejména v telekomunikačním průmyslu. Pro tyto aplikace se dobře hodí, protože efektivně zesiluje světlo na vlnových délkách kolem 1550 nm, což je klíčová vlnová délka pro optickou komunikaci díky nízkým ztrátám ve standardních křemičitých vláknech.
Ten/Ta/Toerbiumionty absorbují světlo pumpy (často zlaserová dioda) a jsou excitovány do vyšších energetických stavů. Když se vrátí do nižšího energetického stavu, emitují fotony na vlnové délce laserového záření, čímž přispívají k laserovému procesu. Díky tomu je sklo dopované erbiem efektivním a široce používaným zesilovacím médiem v různých konstrukcích laserů a zesilovačů.
Související blogy: Novinky - Sklo dopované erbiem: Věda a aplikace
Čerpací mechanismy: Hnací síla laserů
Různé přístupy k dosažení populační inverze
Volba čerpacího mechanismu je klíčová v konstrukci laseru a ovlivňuje vše od účinnosti až po výstupní vlnovou délku. Optické čerpaní, využívající externí zdroje světla, jako jsou zábleskové lampy nebo jiné lasery, je běžné u pevnolátkových a barvivových laserů. Metody elektrického výboje se obvykle používají u plynových laserů, zatímco polovodičové lasery často používají injekci elektronů. Účinnost těchto čerpacích mechanismů, zejména u diodově buzených pevnolátkových laserů, je významným tématem nedávného výzkumu a nabízí vyšší účinnost a kompaktnost.3].
Technické aspekty účinnosti čerpání
Účinnost čerpacího procesu je kritickým aspektem konstrukce laseru, který ovlivňuje celkový výkon a vhodnost aplikace. U pevnolátkových laserů může volba mezi zábleskovými lampami a laserovými diodami jako zdrojem čerpacího energie významně ovlivnit účinnost systému, tepelné zatížení a kvalitu paprsku. Vývoj vysoce výkonných a vysoce účinných laserových diod způsobil revoluci v laserových systémech DPSS a umožnil kompaktnější a efektivnější konstrukce.4].
Optická dutina: Konstrukce laserového paprsku
Návrh dutin: Vyvažování fyziky a inženýrství
Optická dutina neboli rezonátor není jen pasivní součástí, ale aktivním účastníkem formování laserového paprsku. Konstrukce dutiny, včetně zakřivení a uspořádání zrcadel, hraje klíčovou roli při určování stability, struktury módů a výkonu laseru. Dutina musí být navržena tak, aby se zvýšil optický zisk a zároveň minimalizovaly ztráty, což je výzva, která kombinuje optické inženýrství s vlnovou optikou.5.
Oscilační podmínky a výběr režimu
Aby mohlo dojít k laserovému kmitání, musí zesílení poskytované médiem překročit ztráty v dutině. Tato podmínka, spolu s požadavkem na superpozici koherentních vln, určuje, že jsou podporovány pouze určité podélné módy. Rozteč módů a celková struktura módů jsou ovlivněny fyzickou délkou dutiny a indexem lomu zesilovacího média.6].
Závěr
Návrh a provoz laserových systémů zahrnuje široké spektrum fyzikálních a inženýrských principů. Od kvantové mechaniky řídící zesilovací médium až po složité inženýrství optické dutiny hraje každá součást laserového systému zásadní roli v jeho celkové funkčnosti. Tento článek poskytl vhled do složitého světa laserové technologie a nabídl poznatky, které rezonují s pokročilým chápáním profesorů a optických inženýrů v oboru.
Reference
- 1. Siegman, AE (1986). Lasery. Univerzitní vědecké knihy.
- 2. Svelto, O. (2010). Principy laserů. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Inženýrství laserů v pevné fázi. Springer.
- 4. Piper, JA, & Mildren, RP (2014). Diodově buzené lasery v pevné fázi. In Handbook of Laser Technology and Applications (sv. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW a Eberly, JH (2010). Laserová fyzika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Základy laseru. Cambridge University Press.
Čas zveřejnění: 27. listopadu 2023