Pretplatite se na naše društvene mreže za brzu objavu
Laseri, kamen temeljac moderne tehnologije, fascinantni su koliko i složeni. U njihovom srcu nalazi se simfonija komponenti koje rade unisono kako bi proizvele koherentno, pojačano svjetlo. Ovaj blog zaranja u zamršenost ovih komponenti, potkrijepljenih znanstvenim principima i jednadžbama, kako bi pružio dublje razumijevanje laserske tehnologije.
Napredni uvid u komponente laserskog sustava: tehnička perspektiva za profesionalce
| komponenta | Funkcija | Primjeri |
| Srednji dobitak | Sredstvo pojačanja je materijal u laseru koji se koristi za pojačavanje svjetlosti. Olakšava pojačanje svjetla kroz proces inverzije naseljenosti i stimulirane emisije. Odabir medija pojačanja određuje karakteristike zračenja lasera. | Laseri u čvrstom stanju: npr. Nd:YAG (itrij-aluminijski granat dopiran neodimijem), koristi se u medicini i industriji.Plinski laseri: npr. CO2 laseri, koji se koriste za rezanje i zavarivanje.Poluvodički laseri:npr. laserske diode, koje se koriste u komunikaciji optičkim vlaknima i laserskim pokazivačima. |
| Izvor crpljenja | Izvor pumpanja daje energiju mediju za pojačanje kako bi se postigla inverzija naseljenosti (izvor energije za inverziju naseljenosti), što omogućuje rad lasera. | Optičko pumpanje: Korištenje intenzivnih izvora svjetlosti poput bljeskalica za pumpanje lasera čvrstog stanja.Električno pumpanje: Pobuđivanje plina u plinskim laserima pomoću električne struje.Pumpanje poluvodiča: Korištenje laserskih dioda za pumpanje čvrstog laserskog medija. |
| Optička šupljina | Optička šupljina, koja se sastoji od dva zrcala, reflektira svjetlost kako bi povećala duljinu puta svjetlosti u mediju pojačanja, čime se pojačava svjetlosno pojačanje. Omogućuje mehanizam povratne sprege za lasersko pojačanje, odabirući spektralne i prostorne karakteristike svjetla. | Planarna-planarna šupljina: Koristi se u laboratorijskim istraživanjima, jednostavna struktura.Planarno-konkavna šupljina: Uobičajeno u industrijskim laserima, daje zrake visoke kvalitete. Prstenasta šupljina: Koristi se u specifičnim izvedbama prstenastih lasera, poput prstenastih plinskih lasera. |
Sredstvo pojačanja: veza kvantne mehanike i optičkog inženjerstva
Kvantna dinamika u mediju pojačanja
Sredstvo pojačanja je mjesto gdje se odvija temeljni proces pojačanja svjetlosti, fenomen duboko ukorijenjen u kvantnoj mehanici. Interakcija između energetskih stanja i čestica unutar medija je vođena principima stimulirane emisije i inverzije naseljenosti. Kritični odnos između intenziteta svjetlosti (I), početnog intenziteta (I0), prijelaznog presjeka (σ21) i broja čestica na dvije energetske razine (N2 i N1) opisan je jednadžbom I = I0e^ (σ21(N2-N1)L). Postizanje inverzije naseljenosti, gdje je N2 > N1, bitno je za pojačanje i kamen je temeljac laserske fizike[1].
Trorazinski nasuprot sustavima s četiri razine
U praktičnim dizajnima lasera obično se koriste sustavi s tri i četiri razine. Sustavi s tri razine, iako jednostavniji, zahtijevaju više energije za postizanje inverzije naseljenosti jer je niža laserska razina osnovno stanje. Četverorazinski sustavi, s druge strane, nude učinkovitiji put do inverzije naseljenosti zbog brzog neradijacijskog raspada s više energetske razine, što ih čini prevladavajućim u modernim laserskim primjenama[2].
Is Staklo dopirano erbijemmedij pojačanja?
Da, staklo dopirano erbijem doista je vrsta medija za pojačanje koji se koristi u laserskim sustavima. U ovom kontekstu, "doping" se odnosi na proces dodavanja određene količine erbijevih iona (Er³⁺) u staklo. Erbij je element rijetke zemlje koji, kada se ugradi u stakleni nosač, može učinkovito pojačati svjetlost putem stimulirane emisije, temeljnog procesa u radu lasera.
Staklo dopirano erbijem posebno je poznato po svojoj upotrebi u optičkim laserima i optičkim pojačalima, posebno u telekomunikacijskoj industriji. Vrlo je prikladan za ove primjene jer učinkovito pojačava svjetlost na valnim duljinama od oko 1550 nm, što je ključna valna duljina za komunikaciju optičkim vlaknima zbog niskih gubitaka u standardnim vlaknima od silicijevog dioksida.
Theerbijioni apsorbiraju svjetlo pumpe (često iz alaserska dioda) i pobuđuju se na viša energetska stanja. Kada se vrate u stanje niže energije, emitiraju fotone na valnoj duljini lasera, pridonoseći laserskom procesu. To čini staklo dopirano erbijem učinkovitim i naširoko korištenim medijem pojačanja u raznim dizajnima lasera i pojačala.
Povezani blogovi: Vijesti - Staklo dopirano erbijem: znanost i primjena
Mehanizmi pumpanja: Pokretačka snaga iza lasera
Različiti pristupi postizanju inverzije stanovništva
Odabir mehanizma pumpanja ključan je u dizajnu lasera, utječući na sve, od učinkovitosti do izlazne valne duljine. Optičko pumpanje, korištenjem vanjskih izvora svjetlosti kao što su bljeskalice ili drugi laseri, uobičajeno je u krutim laserima i laserima na boju. Metode električnog pražnjenja obično se koriste u plinskim laserima, dok poluvodički laseri često koriste ubrizgavanje elektrona. Učinkovitost ovih mehanizama pumpanja, posebno u laserima čvrstog stanja s pumpanjem diode, bila je značajan fokus nedavnih istraživanja, nudeći veću učinkovitost i kompaktnost [3].
Tehnička razmatranja učinkovitosti crpljenja
Učinkovitost procesa pumpanja kritičan je aspekt dizajna lasera, koji utječe na ukupnu izvedbu i prikladnost primjene. U poluprovodničkim laserima, izbor između bljeskalica i laserskih dioda kao izvora pumpe može značajno utjecati na učinkovitost sustava, toplinsko opterećenje i kvalitetu snopa. Razvoj visokoučinkovitih laserskih dioda velike snage donio je revoluciju u DPSS laserske sustave, omogućujući kompaktnije i učinkovitije dizajne[4].
Optička šupljina: Inženjering laserske zrake
Dizajn šupljine: čin balansiranja fizike i tehnike
Optička šupljina, odnosno rezonator, nije samo pasivna komponenta već i aktivni sudionik u oblikovanju laserske zrake. Dizajn šupljine, uključujući zakrivljenost i poravnanje zrcala, igra ključnu ulogu u određivanju stabilnosti, strukture moda i izlaza lasera. Šupljina mora biti dizajnirana tako da poveća optičko pojačanje uz minimiziranje gubitaka, što je izazov koji kombinira optičko inženjerstvo s valnom optikom5.
Uvjeti osciliranja i odabir načina
Da bi došlo do laserske oscilacije, pojačanje koje daje medij mora premašiti gubitke unutar šupljine. Ovaj uvjet, zajedno sa zahtjevom za koherentnom superpozicijom vala, diktira da su podržani samo određeni longitudinalni modovi. Na razmak modova i ukupnu strukturu moda utječu fizička duljina šupljine i indeks loma medija pojačanja [6].
Zaključak
Dizajn i rad laserskih sustava obuhvaćaju široki spektar fizikalnih i inženjerskih principa. Od kvantne mehanike koja upravlja medijem pojačanja do zamršenog inženjeringa optičke šupljine, svaka komponenta laserskog sustava igra vitalnu ulogu u njegovoj cjelokupnoj funkcionalnosti. Ovaj je članak pružio uvid u složeni svijet laserske tehnologije, nudeći uvide koji odjekuju naprednim razumijevanjem profesora i optičkih inženjera u tom području.
Reference
- 1. Siegman, AE (1986). Laseri. Sveučilišne znanstvene knjige.
- 2. Svelto, O. (2010). Principi lasera. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Lasersko inženjerstvo u čvrstom stanju. Springer.
- 4. Piper, JA i Mildren, RP (2014). Čvrsti laseri s diodnom pumpom. U Priručniku za lasersku tehnologiju i primjene (sv. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW i Eberly, JH (2010). Laserska fizika. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Osnove lasera. Cambridge University Press.
Vrijeme objave: 27. studenoga 2023