Subscriu-te a les nostres xarxes socials per a publicacions ràpides
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 per principis i equacions científiques, per proporcionar una comprensió més profunda de la tecnologia làser.
Informació avançada sobre els components del sistema làser: una perspectiva tècnica per a professionals
| Component | Funció | Exemples |
| Guany mitjà | El medi de guany és el material d'un làser que s'utilitza 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: p. ex., Nd:YAG (granat d'itri i alumini dopat amb neodimi), utilitzat en aplicacions mèdiques i industrials.Làsers de gas: p. ex., làsers de CO2, utilitzats per tallar i soldar.Làsers semiconductors:p. ex., díodes làser, utilitzats en la comunicació per fibra òptica i punters làser. |
| Font de bombament | La font de bombament proporciona energia al medi de guany per aconseguir la inversió de població (la font d'energia per a la inversió de població), permetent el funcionament del làser. | Bombament òpticÚs de fonts de llum intensa com ara làmpades de flaix per bombar làsers d'estat sòlid.Bombament elèctricExcitació del gas en làsers de gas mitjançant corrent elèctric.Bombament de semiconductorsÚs de díodes làser per bombar el medi làser d'estat sòlid. |
| cavitat òptica | La cavitat òptica, que consisteix en dos miralls, reflecteix la llum per augmentar la longitud del recorregut de la llum en el medi de guany, millorant així l'amplificació de la llum. Proporciona un mecanisme de retroalimentació per a l'amplificació del làser, seleccionant les característiques espectrals i espacials de la llum. | Cavitat planar-planarS'utilitza en investigacions de laboratori, estructura simple.Cavitat planar-còncavaComú en làsers industrials, proporciona feixos d'alta qualitat. Cavitat de l'anellS'utilitza en dissenys específics de làsers d'anell, com els làsers de gas d'anell. |
El medi de guany: un nexe entre 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 profundament arrelat en 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 mitjançant 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. sistemes 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 població, ja que el nivell làser inferior és l'estat fonamental. Els sistemes de quatre nivells, en canvi, ofereixen una ruta més eficient cap a la inversió de població a causa de la ràpida decadència no radiativa del nivell d'energia superior, cosa que els fa més prevalents en aplicacions làser modernes.2].
Is Vidre dopat amb erbiun mitjà de guany?
Sí, el vidre dopat amb erbi és, efectivament, un tipus de medi de guany utilitzat en sistemes làser. En aquest context, el "dopatge" es refereix al procés d'afegir una certa quantitat d'ions d'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 és particularment notable pel seu ús en làsers de fibra i amplificadors de fibra, especialment en la indústria de les telecomunicacions. És molt adequat per a aquestes aplicacions perquè amplifica eficientment 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 les fibres de sílice estàndard.
Elerbiels ions absorbeixen la llum de bombament (sovint d'undíode làser) i s'exciten a estats d'energia més alts. Quan tornen a un estat d'energia més baix, emeten fotons a la longitud d'ona del làser, contribuint al procés làser. Això fa que el vidre dopat amb erbi sigui un medi de guany eficaç i àmpliament utilitzat en diversos dissenys de làsers i amplificadors.
Blocs relacionats: Notícies - Vidre dopat amb erbi: ciència i aplicacions
Mecanismes de bombament: la força impulsora darrere dels làsers
Diversos enfocaments per aconseguir la inversió de població
L'elecció del mecanisme de bombament és fonamental en el disseny de làsers, ja que influeix en tot, des de l'eficiència fins a la longitud d'ona de sortida. El bombament òptic, utilitzant fonts de llum externes com ara làmpades de flaix o altres làsers, és comú 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 la injecció d'electrons. L'eficiència d'aquests mecanismes de bombament, especialment en làsers d'estat sòlid bombats per díodes, ha estat un focus important de la investigació recent, oferint una major eficiència i compacitat.3].
Consideracions tècniques en l'eficiència del bombament
L'eficiència del procés de bombament és un aspecte crític del disseny del làser, que afecta el rendiment general i l'adequació de l'aplicació. En els làsers d'estat sòlid, l'elecció entre làmpades de flaix i díodes làser com a font de bombament 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 física i enginyeria
La cavitat òptica, o ressonador, no és només un component passiu, sinó que també participa activament en la configuració del feix làser. El disseny de la cavitat, incloent-hi la curvatura i l'alineació dels miralls, juga un paper crucial a l'hora de determinar l'estabilitat, l'estructura del mode i la sortida del làser. La cavitat ha d'estar dissenyada per millorar el guany òptic i minimitzar les pèrdues, un repte que combina l'enginyeria òptica amb l'òptica d'ones.5.
Condicions d'oscil·lació i selecció de mode
Perquè es produeixi una oscil·lació làser, el guany proporcionat pel medi ha de superar les pèrdues dins de la cavitat. Aquesta condició, juntament amb el requisit d'una superposició d'ones coherent, dicta que només s'admeten certs modes longitudinals. L'espaiat entre modes i l'estructura general dels modes estan influenciats per la longitud física de la cavitat i l'índex de refracció del medi amb 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 regeix el medi de guany fins a l'enginyeria complexa de la cavitat òptica, cada component d'un sistema làser juga un paper vital en la seva funcionalitat general. 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 del camp.
Referències
- 1. Siegman, AE (1986). Làsers. Llibres universitaris de ciència.
- 2. Svelto, O. (2010). Principis dels làsers. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). Enginyeria làser d'estat sòlid. Springer.
- 4. Piper, JA, i Mildren, RP (2014). Làsers d'estat sòlid bombats amb 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.
Data de publicació: 27 de novembre de 2023