Subscriu-te a les nostres xarxes socials per a una publicació ràpida
Els làsers, una pedra angular de la tecnologia moderna, són tan fascinants com complexos. Al seu cor hi ha una simfonia de components que treballen a l'uníson per produir una llum coherent i amplificada. Aquest bloc aprofundeix en les complexitats d'aquests components, recolzats en principis i equacions científiques, per proporcionar una comprensió més profunda de la tecnologia làser.
Coneixements avançats dels components del sistema làser: una perspectiva tècnica per a professionals
| Component | Funció | Exemples |
| Guanyar Mitjà | El medi de guany és el material d'un làser utilitzat per amplificar la llum. Facilita l'amplificació de la llum mitjançant el procés d'inversió de població i emissió estimulada. L'elecció del medi de guany determina les característiques de radiació del làser. | Làsers d'estat sòlid: per exemple, Nd:YAG (granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi), utilitzat en aplicacions mèdiques i industrials.Làsers de gas: per exemple, làsers de CO2, utilitzats per tallar i soldar.Làsers de semiconductors:per exemple, díodes làser, utilitzats en comunicacions de fibra òptica i punters làser. |
| Font de bombeig | La font de bombeig proporciona energia al mitjà de guany per aconseguir la inversió de població (la font d'energia per a la inversió de població), permetent el funcionament del làser. | Bombeig òptic: Ús de fonts de llum intensa com ara làmpades per bombejar làsers d'estat sòlid.Bombeig elèctric: Excitació del gas en làsers de gas mitjançant corrent elèctric.Bombeig de semiconductors: Ús de díodes làser per bombejar el medi làser d'estat sòlid. |
| Cavitat òptica | La cavitat òptica, que consta de dos miralls, reflecteix la llum per augmentar la longitud del camí de la llum en el medi de guany, millorant així l'amplificació de la llum. Proporciona un mecanisme de retroalimentació per a l'amplificació làser, seleccionant les característiques espectrals i espacials de la llum. | Cavitat plana-planar: S'utilitza en investigacions de laboratori, estructura simple.Cavitat plana-còncava: Comú en làsers industrials, proporciona feixos d'alta qualitat. Cavitat de l'anell: S'utilitza en dissenys específics de làsers d'anell, com ara làsers de gas d'anell. |
El mitjà de guany: un nexe de la mecànica quàntica i l'enginyeria òptica
Dinàmica quàntica en el medi de guany
El medi de guany és on es produeix el procés fonamental d'amplificació de la llum, un fenomen molt arrelat a la mecànica quàntica. La interacció entre els estats d'energia i les partícules dins del medi es regeix pels principis d'emissió estimulada i inversió de població. La relació crítica entre la intensitat de la llum (I), la intensitat inicial (I0), la secció transversal de transició (σ21) i el nombre de partícules als dos nivells d'energia (N2 i N1) es descriu per l'equació I = I0e^ (σ21(N2-N1)L). Aconseguir una inversió de població, on N2 > N1, és essencial per a l'amplificació i és una pedra angular de la física del làser[1].
Sistemes de tres nivells vs. de quatre nivells
En dissenys làser pràctics, s'utilitzen habitualment sistemes de tres i quatre nivells. Els sistemes de tres nivells, tot i que són més senzills, requereixen més energia per aconseguir la inversió de la població, ja que el nivell làser més baix és l'estat fonamental. Els sistemes de quatre nivells, d'altra banda, ofereixen una ruta més eficient cap a la inversió de la població a causa de la ràpida desintegració no radiativa del nivell d'energia més alt, fent-los més freqüents en les aplicacions làser modernes.2].
Is Vidre dopat amb erbiun mitjà de guany?
Sí, el vidre dopat amb erbi és realment un tipus de mitjà de guany utilitzat en sistemes làser. En aquest context, "dopatge" es refereix al procés d'afegir una certa quantitat d'ions erbi (Er³⁺) al vidre. L'erbi és un element de terres rares que, quan s'incorpora a un hoste de vidre, pot amplificar eficaçment la llum mitjançant l'emissió estimulada, un procés fonamental en el funcionament del làser.
El vidre dopat amb erbi destaca especialment pel seu ús en làsers de fibra i amplificadors de fibra, especialment a la indústria de les telecomunicacions. És molt adequat per a aquestes aplicacions perquè amplifica de manera eficient la llum a longituds d'ona al voltant de 1550 nm, que és una longitud d'ona clau per a les comunicacions de fibra òptica a causa de la seva baixa pèrdua en fibres de sílice estàndard.
ElerbiEls ions absorbeixen la llum de la bomba (sovint de adíode làser) i estan excitats a estats d'energia superiors. Quan tornen a un estat d'energia inferior, emeten fotons a la longitud d'ona del làser, contribuint al procés làser. Això fa que el vidre dopat amb erbi sigui un mitjà de guany eficaç i àmpliament utilitzat en diversos dissenys de làser i amplificadors.
Blogs relacionats: Notícies - Vidre dopat amb erbi: ciència i aplicacions
Mecanismes de bombeig: la força motriu darrere dels làsers
Diversos enfocaments per aconseguir la inversió de la població
L'elecció del mecanisme de bombeig és fonamental en el disseny del làser, ja que influeix en tot, des de l'eficiència fins a la longitud d'ona de sortida. El bombeig òptic, utilitzant fonts de llum externes com ara llums de flaix o altres làsers, és habitual en làsers d'estat sòlid i de colorant. Els mètodes de descàrrega elèctrica s'utilitzen normalment en làsers de gas, mentre que els làsers de semiconductors sovint utilitzen injecció d'electrons. L'eficiència d'aquests mecanismes de bombeig, particularment en làsers d'estat sòlid bombejats amb díodes, ha estat un focus important de la investigació recent, oferint una major eficiència i compacitat.3].
Consideracions tècniques en l'eficiència del bombeig
L'eficiència del procés de bombeig és un aspecte crític del disseny làser, que afecta el rendiment general i la idoneïtat de l'aplicació. En els làsers d'estat sòlid, l'elecció entre llums de flaix i díodes làser com a font de bomba pot afectar significativament l'eficiència del sistema, la càrrega tèrmica i la qualitat del feix. El desenvolupament de díodes làser d'alta potència i alta eficiència ha revolucionat els sistemes làser DPSS, permetent dissenys més compactes i eficients.4].
La cavitat òptica: enginyeria del feix làser
Disseny de cavitats: un acte d'equilibri entre la física i l'enginyeria
La cavitat òptica, o ressonador, no és només un component passiu sinó un participant actiu en la configuració del feix làser. El disseny de la cavitat, inclosa la curvatura i l'alineació dels miralls, té un paper crucial a l'hora de determinar l'estabilitat, l'estructura del mode i la sortida del làser. La cavitat s'ha de dissenyar per millorar el guany òptic alhora que es minimitzen les pèrdues, un repte que combina l'enginyeria òptica amb l'òptica d'ones.5.
Condicions d'oscil·lació i selecció del mode
Perquè es produeixi l'oscil·lació làser, el guany proporcionat pel medi ha de superar les pèrdues dins de la cavitat. Aquesta condició, juntament amb el requisit de superposició d'ones coherents, dicta que només s'admeten certs modes longitudinals. L'espaiat entre modes i l'estructura general del mode estan influenciats per la longitud física de la cavitat i l'índex de refracció del medi de guany [6].
Conclusió
El disseny i el funcionament dels sistemes làser abasten un ampli espectre de principis de física i enginyeria. Des de la mecànica quàntica que governa el mitjà de guany fins a la complexa enginyeria de la cavitat òptica, cada component d'un sistema làser té un paper vital en la seva funcionalitat global. Aquest article ha proporcionat una visió del complex món de la tecnologia làser, oferint coneixements que ressonen amb la comprensió avançada dels professors i enginyers òptics en el camp.
Referències
- 1. Siegman, AE (1986). Làsers. Llibres universitaris de ciència.
- 2. Svelto, O. (2010). Principis del làser. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Enginyeria làser d'estat sòlid. Springer.
- 4. Piper, JA i Mildren, RP (2014). Làsers d'estat sòlid bombejats per díodes. A Handbook of Laser Technology and Applications (Vol. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW i Eberly, JH (2010). Física del làser. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Fonaments del làser. Cambridge University Press.
Hora de publicació: 27-nov-2023