Laserin keskeiset komponentit: vahvistusväliaine, pumppauslähde ja optinen ontelo.

Tilaa sosiaalisen median kanavamme saadaksesi nopeita julkaisuja

Laserit, modernin teknologian kulmakivi, ovat yhtä kiehtovia kuin monimutkaisiakin. Niiden ytimessä on yhdessä toimivien komponenttien sinfonia, joka tuottaa koherenttia, vahvistettua valoa. Tämä blogi syventyy näiden komponenttien monimutkaisuuksiin tieteellisten periaatteiden ja yhtälöiden tuella tarjotakseen syvemmän ymmärryksen laserteknologiasta.

 

Syvällistä tietoa laserjärjestelmien komponenteista: tekninen näkökulma ammattilaisille

 

Komponentti

Toiminto

Esimerkkejä

Keskitason vahvistus Vahvistusväliaine on laserissa oleva materiaali, jota käytetään valon vahvistamiseen. Se helpottaa valon vahvistumista populaatioinversion ja stimuloidun emission avulla. Vahvistusväliaineen valinta määrää laserin säteilyominaisuudet. Kiinteän olomuodon laseritesim. Nd:YAG (neodyymillä seostettu yttriumalumiinigranaatti), jota käytetään lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.Kaasulaseritesim. CO2-laserit, joita käytetään leikkaamiseen ja hitsaukseen.Puolijohdelaserit:esim. laserdiodit, joita käytetään kuituoptisessa viestinnässä ja laserosoittimissa.
Pumppauslähde Pumppauslähde syöttää energiaa vahvistusväliaineelle populaatioinversion saavuttamiseksi (populaatioinversion energialähde), mikä mahdollistaa laserin toiminnan. Optinen pumppausKäyttämällä voimakkaita valonlähteitä, kuten salamalamppuja, pumppaamaan kiinteän olomuodon lasereita.Sähköinen pumppausKaasun virittäminen kaasulasereissa sähkövirran avulla.PuolijohdepumppausLaserdiodien käyttö kiinteän olomuodon laserväliaineen pumppaamiseen.
Optinen ontelo Kahdesta peilistä koostuva optinen ontelo heijastaa valoa ja lisää valon kulkureittiä vahvistusväliaineessa, mikä parantaa valon vahvistusta. Se tarjoaa takaisinkytkentämekanismin laservahvistukselle ja valitsee valon spektraaliset ja spatiaaliset ominaisuudet. Tasomainen-tasainen onteloKäytetään laboratoriotutkimuksessa, yksinkertainen rakenne.Tasomainen-kovera onteloYleinen teollisuuslasereissa, tarjoaa korkealaatuisia säteitä. RengasonteloKäytetään tietyissä rengaslasereiden malleissa, kuten rengaskaasulasereissa.

 

Vahvistusväliaine: Kvanttimekaniikan ja optisen tekniikan yhteys

Kvanttidynamiikka vahvistusväliaineessa

Vahvistusväliaine on se, missä valon vahvistumisen perusprosessi tapahtuu, ilmiö, joka on syvästi juurtunut kvanttimekaniikkaan. Väliaineen energiatilojen ja hiukkasten välistä vuorovaikutusta säätelevät stimuloidun emission ja populaatioinversion periaatteet. Valon intensiteetin (I), alkuintensiteetin (I0), siirtymäpoikkileikkauksen (σ21) ja hiukkasten lukumäärän välinen kriittinen suhde kahdella energiatasolla (N2 ja N1) kuvataan yhtälöllä I = I0e^(σ21(N2-N1)L). Populaatioinversion saavuttaminen, jossa N2 > N1, on välttämätöntä vahvistukselle ja laserfysiikan kulmakivi.1].

 

Kolmitasoiset vs. nelitasoiset järjestelmät

Käytännön lasersuunnittelussa käytetään yleisesti kolmi- ja nelitasojärjestelmiä. Kolmitasojärjestelmät ovat yksinkertaisempia, mutta ne vaativat enemmän energiaa populaatioinversion saavuttamiseksi, koska alempi lasertaso on perustila. Nelitasojärjestelmät puolestaan ​​tarjoavat tehokkaamman reitin populaatioinversioon nopean ei-säteilevän vaimenemisen ansiosta korkeammasta energiatasosta, mikä tekee niistä yleisempiä nykyaikaisissa lasersovelluksissa.2].

 

Is Erbiumilla seostettu lasivahvistusväline?

Kyllä, erbiumilla seostettu lasi on todellakin eräänlainen vahvistusväliaine, jota käytetään laserjärjestelmissä. Tässä yhteydessä "doping" viittaa prosessiin, jossa lasiin lisätään tietty määrä erbiumioneja (Er³⁺). Erbium on harvinainen maametalli, joka lasiin lisättynä voi tehokkaasti vahvistaa valoa stimuloidun emission avulla, joka on laserin toiminnan perusprosessi.

Erbiumilla seostettu lasi on erityisen tunnettu käytöstään kuitulasereissa ja kuituvahvistimissa, erityisesti televiestintäteollisuudessa. Se sopii hyvin näihin sovelluksiin, koska se vahvistaa tehokkaasti valoa noin 1550 nm:n aallonpituuksilla, mikä on keskeinen aallonpituus optisissa kuituviestinnässä sen alhaisen häviön vuoksi tavallisissa piidioksidikuiduissa.

Theerbiumionit absorboivat pumpun valoa (useinlaserdiodi) ja virittyvät korkeampiin energiatiloihin. Palatessaan matalampaan energiatilaan ne lähettävät fotoneja laserin aallonpituudella, mikä edistää laserprosessia. Tämä tekee erbiumilla seostetusta lasista tehokkaan ja laajalti käytetyn vahvistusväliaineen erilaisissa laser- ja vahvistinrakenteissa.

Aiheeseen liittyvät blogit: Uutiset - Erbiumilla seostettu lasi: Tiede ja sovellukset

Pumppausmekanismit: Lasereiden liikkeellepaneva voima

Monipuoliset lähestymistavat populaatioinversion saavuttamiseksi

Pumppausmekanismin valinta on lasersuunnittelussa keskeisessä asemassa, ja se vaikuttaa kaikkeen hyötysuhteesta lähtöaallonpituuteen. Optinen pumppaus, jossa käytetään ulkoisia valonlähteitä, kuten salamalamppuja tai muita lasereita, on yleistä kiinteän olomuodon ja väriaineen lasereissa. Sähköpurkausmenetelmiä käytetään tyypillisesti kaasulasereissa, kun taas puolijohdelasereissa käytetään usein elektroni-injektiota. Näiden pumppausmekanismien hyötysuhde, erityisesti diodipumpatuissa kiinteän olomuodon lasereissa, on ollut merkittävä painopiste viimeaikaisessa tutkimuksessa, ja se tarjoaa paremman hyötysuhteen ja kompaktiuden.3].

 

Pumppaustehokkuuden tekniset näkökohdat

Pumppausprosessin tehokkuus on laserin suunnittelun kriittinen osa-alue, joka vaikuttaa kokonaissuorituskykyyn ja sovellussopivuuteen. Kiinteän olomuodon lasereissa valinta salamalamppujen ja laserdiodien välillä pumppauslähteenä voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän tehokkuuteen, lämpökuormitukseen ja säteen laatuun. Suuritehoisten ja tehokkaiden laserdiodien kehitys on mullistanut DPSS-laserjärjestelmät mahdollistaen kompaktimpia ja tehokkaampia malleja.4].

 

Optinen ontelo: Lasersäteen suunnittelu

 

Onteloiden suunnittelu: Fysiikan ja tekniikan tasapainoilua

Optinen ontelo eli resonaattori ei ole vain passiivinen komponentti, vaan se osallistuu aktiivisesti lasersäteen muotoiluun. Ontelon suunnittelulla, mukaan lukien peilien kaarevuus ja kohdistus, on ratkaiseva rooli laserin vakauden, moodirakenteen ja tehon määrittämisessä. Ontelo on suunniteltava parantamaan optista vahvistusta ja minimoimaan häviöt, mikä on haaste, joka yhdistää optisen suunnittelun ja aaltooptiikan.5.

Värähtelyolosuhteet ja tilan valinta

Jotta laservärähtelyä tapahtuisi, väliaineen tuottaman vahvistuksen on ylitettävä ontelon sisällä olevat häviöt. Tämä ehto yhdistettynä koherentin aallon superposition vaatimukseen sanelee, että vain tietyt pitkittäismoodit ovat tuettuja. Moodiväliin ja kokonaismoodirakenteeseen vaikuttavat ontelon fyysinen pituus ja vahvistusväliaineen taitekerroin.6].

 

Johtopäätös

Laserjärjestelmien suunnittelu ja toiminta kattaa laajan kirjon fysiikan ja tekniikan periaatteita. Vahvistusväliainetta ohjaavasta kvanttimekaniikasta optisen ontelon monimutkaiseen suunnitteluun, jokaisella laserjärjestelmän komponentilla on tärkeä rooli sen kokonaistoiminnallisuudessa. Tämä artikkeli on tarjonnut kurkistuksen laserteknologian monimutkaiseen maailmaan ja tarjoaa näkemyksiä, jotka resonoivat alan professorien ja optisten insinöörien edistyneen ymmärryksen kanssa.

Liittyvä lasersovellus
Aiheeseen liittyvät tuotteet

Viitteet

  • 1. Siegman, AE (1986). Laserit. Yliopiston tiedekirjoja.
  • 2. Svelto, O. (2010). Lasereiden periaatteet. Springer.
  • 3. Koechner, W. (2006). Kiinteän olomuodon lasertekniikka. Springer.
  • 4. Piper, JA ja Mildren, RP (2014). Diodipumpatut kiinteän olomuodon laserit. Teoksessa Handbook of Laser Technology and Applications (osa III). CRC Press.
  • 5. Milonni, PW, & Eberly, JH (2010). Laserfysiikka. Wiley.
  • 6. Silfvast, WT (2004). Lasertekniikan perusteet. Cambridge University Press.

Julkaisun aika: 27.11.2023