Přihlaste se k odběru našich sociálních sítí a získejte rychlý příspěvek
Lasery, základní kámen moderní technologie, jsou stejně fascinující jako složité. V jejich srdci leží symfonie komponent, které pracují v souzvuku a vytvářejí koherentní, zesílené světlo. Tento blog se ponoří do složitosti těchto komponent, podpořených vědeckými principy a rovnicemi, aby poskytl hlubší pochopení laserové technologie.
Pokročilé pohledy na součásti laserového systému: Technická perspektiva pro profesionály
| Komponent | Funkce | Příklady |
| Střední zisk | Zesilovací médium je materiál v laseru používaný pro zesilování světla. Usnadňuje zesílení světla prostřednictvím procesu inverze populace a stimulované emise. Volba média zisku určuje vyzařovací charakteristiky laseru. | Pevné lasery: např. Nd:YAG (neodymem dopovaný yttrium-hliníkový granát), používaný v lékařských a průmyslových aplikacích.Plynové lasery: např. CO2 lasery, používané pro řezání a svařování.Polovodičové lasery:např. laserové diody, používané v komunikaci s optickými vlákny a laserová ukazovátka. |
| Čerpací zdroj | Čerpací zdroj dodává energii do ziskového média pro dosažení inverze populace (zdroj energie pro inverzi populace), což umožňuje provoz laseru. | Optické čerpání: Použití intenzivních světelných zdrojů, jako jsou baterky, k pumpování pevnolátkových laserů.Elektrické čerpání: Buzení plynu v plynových laserech elektrickým proudem.Čerpání polovodičů: Použití laserových diod k čerpání média pevnolátkového laseru. |
| Optická dutina | Optická dutina, skládající se ze dvou zrcadel, odráží světlo, aby se prodloužila dráha světla v médiu pro zesílení, čímž se zvýší zesílení světla. Poskytuje zpětnovazební mechanismus pro laserové zesílení, výběr spektrálních a prostorových charakteristik světla. | Planárno-rovinná dutina: Používá se v laboratorním výzkumu, jednoduchá struktura.Planárně-konkávní dutina: Běžný u průmyslových laserů, poskytuje vysoce kvalitní paprsky. Prstencová dutina: Používá se ve specifických konstrukcích prstencových laserů, jako jsou prstencové plynové lasery. |
The Gain Medium: Spojení kvantové mechaniky a optického inženýrství
Kvantová dynamika v médiu zisku
Médium zisku je místo, kde dochází k základnímu procesu zesilování světla, což je fenomén hluboce zakořeněný v kvantové mechanice. Interakce mezi energetickými stavy a částicemi v prostředí 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^ (a21(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 více energie k dosažení inverze populace, protože nižší hladina laseru je základní stav. Čtyřúrovňové systémy na druhé straně nabízejí účinnější cestu k inverzi populace díky rychlému neradiačnímu rozpadu z vyšší energetické hladiny, což je činí běžnějšími v moderních laserových aplikacích[2].
Is Sklo s příměsí erbiaziskové médium?
Ano, sklo dopované erbiem je skutečně druh média pro zesílení používaného v laserových systémech. V této souvislosti se „dopingem“ rozumí proces přidávání určitého množství erbiových iontů (Er3⁺) do skla. Erbium je prvek vzácných zemin, který, když je začleněn do skleněného hostitele, může účinně zesílit světlo prostřednictvím stimulované emise, což je základní proces v laserovém provozu.
Erbiem dopované sklo je zvláště pozoruhodné pro jeho použití ve vláknových laserech a vláknových zesilovačích, zejména v telekomunikačním průmyslu. Pro tyto aplikace se dobře hodí, protože účinně zesiluje světlo na vlnových délkách kolem 1550 nm, což je klíčová vlnová délka pro komunikaci s optickými vlákny kvůli jeho nízkým ztrátám ve standardních silikových vláknech.
Theerbiumionty absorbují světlo čerpadla (často z alaserová dioda) a jsou vzrušeni do vyšších energetických stavů. Když se vrátí do stavu s nižší energií, emitují fotony na vlnové délce laseru, což přispívá k laserovému procesu. Díky tomu je sklo dopované erbiem efektivním a široce používaným ziskovým médiem v různých provedeních laserů a zesilovačů.
Související blogy: Novinky - Erbiem dopované sklo: Věda a aplikace
Čerpací mechanismy: Hnací síla laserů
Různé přístupy k dosažení populační inverze
Volba čerpacího mechanismu je v laserovém designu klíčová a ovlivňuje vše od účinnosti až po výstupní vlnovou délku. Optické čerpání pomocí externích zdrojů světla, jako jsou zábleskové lampy nebo jiné lasery, je běžné u pevnolátkových a barvivových laserů. Metody elektrického výboje se typicky používají v plynových laserech, zatímco polovodičové lasery často využívají vstřikování elektronů. Účinnost těchto čerpacích mechanismů, zejména v pevnolátkových laserech s diodovým čerpadlem, byla významným střediskem nedávného výzkumu, který nabízí vyšší účinnost a kompaktnost[3].
Technické aspekty účinnosti čerpání
Účinnost procesu čerpání je kritickým aspektem návrhu laseru, který ovlivňuje celkový výkon a vhodnost použití. U pevnolátkových laserů může volba mezi zábleskovými výbojkami a laserovými diodami jako zdroje čerpadla významně ovlivnit účinnost systému, tepelné zatížení a kvalitu paprsku. Vývoj vysoce výkonných a vysoce účinných laserových diod způsobil revoluci v laserových systémech DPSS, což umožnilo kompaktnější a efektivnější návrhy[4].
Optická dutina: Konstrukce laserového paprsku
Cavity Design: Balancing Act of Physics and Engineering
Optická dutina, neboli rezonátor, není jen pasivní součást, ale je aktivním účastníkem tvarování laserového paprsku. Konstrukce dutiny, včetně zakřivení a vyrovnání zrcadel, hraje klíčovou roli při určování stability, struktury režimu a výkonu laseru. Dutina musí být navržena tak, aby zlepšila optický zisk a zároveň minimalizovala ztráty, což je výzva, která kombinuje optické inženýrství s vlnovou optikou5.
Podmínky oscilace a výběr režimu
Aby došlo k oscilaci laseru, musí zisk poskytovaný médiem převýšit ztráty v dutině. Tato podmínka ve spojení s požadavkem na koherentní superpozici vln diktuje, že jsou podporovány pouze určité podélné režimy. Vidová vzdálenost a celková struktura vidů jsou ovlivněny fyzickou délkou dutiny a indexem lomu média zesílení[6].
Závěr
Návrh a provoz laserových systémů zahrnuje široké spektrum fyzikálních a inženýrských principů. Od kvantové mechaniky, která řídí ziskové médium, až po složité inženýrství optické dutiny, každá součást laserového systému hraje zásadní roli v jeho celkové funkčnosti. Tento článek poskytuje pohled do složitého světa laserové technologie a nabízí poznatky, které rezonují s pokročilými znalostmi 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). Solid-State Laser Engineering. Springer.
- 4. Piper, JA, & Mildren, RP (2014). Diodou čerpané polovodičové lasery. In Handbook of Laser Technology and Applications (Vol. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Laserová fyzika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Základy laseru. Cambridge University Press.
Čas odeslání: 27. listopadu 2023