Konstrukcja optycznego oscylatora kwantowego

Owoce postępu naukowego i technologicznego nie zawsze znajdują konkretny wyraz w praktyce zaraz po stworzeniu teoretycznych podstaw. Tak było w przypadku technologii laserowej, której możliwości nie zostały jeszcze w pełni wykorzystane. Teoria optycznych oscylatorów kwantowych, na podstawie której powstała koncepcja urządzeń emitujących promieniowanie elektromagnetyczne, została częściowo opanowana dzięki optymalizacji technologii laserowej. Ale eksperci twierdzą, że potencjał promieniowania optycznego może być podstawą wielu przyszłych odkryć.

Zasada działania urządzenia

Przez generator kwantowy rozumie się tu urządzenie laserowe pracujące w zakresie optycznym w warunkach stymulowanego promieniowania monochromatycznego, elektromagnetycznego lub koherentnego. Samo pochodzenie słowa laser w tłumaczeniu wskazuje na efekt wzmocnienia światła poprzez stymulowaną emisję promieniowania. Obecnie istnieje kilka różnych koncepcji realizacji urządzenia laserowego ze względu na niejednoznaczność zasad działania optycznego generatora kwantowego w różnych warunkach.

Kluczowym czynnikiem różnicującym jest zasada współdziałania promieniowanie laserowe z materiałem docelowym. W procesie emisji energia dostarczana jest w określonych porcjach (kwantach), co pozwala na kontrolę charakteru oddziaływania emitera na ośrodek roboczy lub materiał obiektu docelowego. Do podstawowych parametrów umożliwiających regulację poziomu ekspozycji elektrochemicznej i optycznej na laser należą: ostrość, koncentracja fluencji, długość fali, kierunkowość itp. д. W niektórych procesy technologiczne Czas promieniowania również odgrywa rolę - na przykład impulsy mogą mieć długość od ułamka sekundy do dziesiątków femtosekund, z przerwami od chwili do kilku lat.

Synergetyczna struktura lasera

W początkowym okresie rozwoju koncepcji lasera optycznego układ promieniowania kwantowego był rozumiany w kategoriach fizycznych jako forma samoorganizacji kilku składników energetycznych. W ten sposób powstała koncepcja synergetyki, która pozwoliła na sformułowanie głównych właściwości i etapów w rozwoju ewolucyjnym lasera. Niezależnie od rodzaju i zasada działania lasera, kluczem do jego działania było wyjście poza stan równowagi atomów światła, kiedy to układ stawał się niestabilny i jednocześnie otwarty.

Odchylenia w symetrii przestrzennej promieniowania stwarzają warunki do pojawienia się strumienia pulsacyjnego. Po osiągnięciu pewnej wartości pompowania (ugięcia) optyczny generator kwantowy promieniowania koherentnego staje się sterowalny i zmienia się w uporządkowaną strukturę dyssypatywną z elementami układu samoorganizującego się. W pewnych warunkach urządzenie mogłoby pracować cyklicznie w trybie emisji impulsowej, a jej zmiany prowadziłyby do chaotycznych pulsacji.

Elementy eksploatacyjne lasera

Teraz konieczne jest przejście od zasady działania do konkretnych warunków fizycznych i technicznych, w których działa system laserowy o określonych właściwościach. Z punktu widzenia wydajności optycznych generatorów kwantowych najważniejsze jest medium aktywne. W szczególności wpływa na intensywność wzmocnienia strumienia, właściwości sprzężenia zwrotnego i sygnału optycznego jako całości. Na przykład emisja może odbywać się w mieszaninie gazów, na której pracuje dziś większość aparatów laserowych.

Kolejny element reprezentowany jest przez źródło energii. Służy do stworzenia warunków do utrzymania inwersji populacji atomowej w ośrodku czynnym. Jeśli zrobimy analogię do struktury synergetycznej, to właśnie źródło energii działa jako swoisty czynnik odchylenia światła od stanu normalnego. Im mocniejsze wsparcie, tym większe pompowanie systemu i tym skuteczniejszy efekt laserowy. Trzecim elementem infrastruktury operacyjnej jest rezonator, który przepuszcza wielokrotnie promieniowanie w trakcie przechodzenia przez ośrodek. Ten sam składnik przyczynia się do wytworzenia promieniowania optycznego w widmie użytecznym.

Konstrukcja lasera helowo-neonowego

Najczęściej spotykana forma nowoczesnego lasera, którego podstawą konstrukcyjną jest rura wyładowcza, zwierciadła optyczne-rezonatory i zasilacz elektryczny. Jako czynnik roboczy (wypełnienie rury) stosuje się mieszaninę helu i neonu, jak sama nazwa wskazuje. Sama tuba wykonana jest ze szkła kwarcowego. Standardowe wykonania cylindryczne mają grubość od 4 do 15 mm i długość od 5 cm do 3 m. Rury są zamknięte na końcach płaskimi szybami o niewielkim nachyleniu, co zapewnia wystarczającą polaryzację lasera.

Optyczny generator kwantowy na mieszaninie helu i neonów ma małe pasmo spektralne rzędu 1,5 GHz. Ta cecha oferuje szereg zalet operacyjnych i doprowadziła do udanych zastosowań w interferometrii, urządzeniach odczytowych, spektroskopii itp. д.

Projektowanie laserów półprzewodnikowych

Nośnikiem tych urządzeń jest półprzewodnik, którego podstawą są krystaliczne pierwiastki o atomach trój- lub pięciowartościowych (krzem, ind). Pod względem przewodności właściwej laser ten stoi pomiędzy dielektrykami a pełnoprawnymi przewodnikami. Różnice w wydajności dotyczą temperatury, stężenia zanieczyszczeń i charakteru fizycznego wpływu na materiał docelowy. Źródłem energii pompowania w tym przypadku może być promieniowanie elektromagnetyczne, wiązka elektronów lub energia elektronów.

Optyczne oscylatory kwantowe w półprzewodnikach często wykorzystują diodę LED dużej mocy w materiale półprzewodnikowym, która może przechowywać duże ilości energii. inną sprawą jest to, że większe obciążenie elektryczne i mechaniczne szybko prowadzi do zużycia elementów roboczych.

Konstrukcja laserów barwnikowych

Ten rodzaj oscylatora optycznego stworzył podstawy podstawa Nowy kierunek w technologii laserowej z czasem trwania impulsu do pikosekundy. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu barwników organicznych jako czynnika aktywnego, ale funkcja pompowania musi być realizowana przez inny laser - najczęściej argonowy.

Jeśli chodzi o konstrukcję optycznych oscylatorów kwantowych barwników, to w celu zapewnienia ultrakrótkich impulsów stosuje się specjalną podstawę kuwety, w której tworzy się warunki próżniowe. Modele rezonatorów pierścieniowych w takim środowisku pozwalają na pompowanie płynnego barwnika z prędkością do 10 m/s.

Cechy emiterów światłowodowych

Typ urządzenia laserowego, w którym funkcję rezonatora pełni światłowód. Z punktu widzenia właściwości użytkowych, generator ten jest najbardziej produktywny pod względem wielkości emisji optycznej. I to pomimo faktu, że urządzenie ma bardzo skromne rozmiary w porównaniu z innymi typami laserów.

Inną szczególną cechą tego typu optycznych generatorów kwantowych jest ich uniwersalność w zakresie możliwości podłączenia źródła pompującego. Z reguły wykorzystuje się w nim kompletne tablice falowodowe, które są łączone w moduły z materiałem aktywnym, co prowadzi również do optymalizacji strukturalnej i funkcjonalnej urządzenia.

Wdrażanie systemu kontroli

Większość urządzeń opiera się na podłożu elektrycznym, które zapewnia pompowanie energetyczne bezpośrednio lub pośrednio. W najprostszych układach ten układ mocy służy do sterowania natężeniem promieniowania w pewnym zakresie optycznym.

Generatory kwantowe do zastosowań profesjonalnych zawierają również zaawansowaną infrastrukturę optyczną do kontroli strumienia. Kontrola kierunku dyszy, mocy i długości impulsu, częstotliwości, temperatury i innych parametrów pracy.

Zastosowania lasera

Choć oscylatory optyczne to wciąż rozwijająca się dziedzina, trudno dostrzec miejsca, w których nie są one już dziś wykorzystywane. Ich najcenniejszy efekt praktyczny został wykorzystany w przemyśle jako wysoce wydajne narzędzie do cięcia materiałów stałych przy minimalnych kosztach.

Optyczne generatory kwantowe są również szeroko stosowane w medycynie do mikrochirurgii oka oraz w zastosowaniach kosmetycznych. Przykładowo, uniwersalnym narzędziem laserowym w medycynie były tzw. bezkrwawe skalpele, które pozwalały nie tylko na cięcie, ale także na zespalanie tkanki biologicznej.

Wniosek

Do tej pory istnieje kilka obiecujących kierunków rozwoju generatorów emisji optycznej. Do najpopularniejszych należy technologia fuzji warstwa po warstwie, modelowanie 3D, koncepcja sprzężenia z robotyką (trackery laserowe) itp. д. Każdy przypadek ma swoje szczególne zastosowanie optycznych generatorów kwantowych - od obróbki powierzchniowej materiałów i ultraszybkiego tworzenia produktów kompozytowych do gaszenia pożarów poprzez emisję promieniowania.

Oczywiście bardziej skomplikowane zadania będą wymagały zwiększenia mocy technologii laserowej, co również podniesie próg zagrożenia. Jeśli dziś głównym powodem zapewnienia bezpieczeństwa przy pracy z takim sprzętem jest jego szkodliwe działanie na oczy, to w przyszłości możemy mówić także o specjalnej ochronie materiałów i obiektów, w pobliżu których organizowane jest użycie sprzętu.