ติดตามเราบนโซเชียลมีเดียเพื่อรับข่าวสารทันที
เลเซอร์ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีสมัยใหม่นั้น น่าทึ่งและซับซ้อนอย่างยิ่ง หัวใจหลักของมันคือการทำงานร่วมกันของส่วนประกอบต่างๆ เพื่อสร้างแสงที่สอดคล้องกันและมีความเข้มสูง บล็อกนี้จะเจาะลึกถึงความซับซ้อนของส่วนประกอบเหล่านี้ โดยอาศัยหลักการทางวิทยาศาสตร์และสมการ เพื่อให้เข้าใจเทคโนโลยีเลเซอร์อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับส่วนประกอบของระบบเลเซอร์: มุมมองทางเทคนิคสำหรับผู้เชี่ยวชาญ
| ส่วนประกอบ | การทำงาน | ตัวอย่าง |
| ได้รับปานกลาง | ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงคือวัสดุในเลเซอร์ที่ใช้ในการขยายแสง มันช่วยให้แสงขยายใหญ่ขึ้นผ่านกระบวนการผกผันของประชากรและการปล่อยแสงแบบกระตุ้น การเลือกใช้ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงจะเป็นตัวกำหนดลักษณะการแผ่รังสีของเลเซอร์ | เลเซอร์โซลิดสเตทเช่น Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet) ซึ่งใช้ในงานทางการแพทย์และอุตสาหกรรมเลเซอร์แก๊สเช่น เลเซอร์ CO2 ที่ใช้สำหรับการตัดและการเชื่อมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์:เช่น ไดโอดเลเซอร์ที่ใช้ในการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสงและเลเซอร์พอยเตอร์ |
| แหล่งสูบน้ำ | แหล่งกำเนิดพลังงานจะให้พลังงานแก่ตัวกลางขยายสัญญาณเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร (แหล่งพลังงานสำหรับการผกผันของประชากร) ซึ่งจะช่วยให้เลเซอร์ทำงานได้ | การปั๊มแสง: การใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูง เช่น หลอดไฟแฟลช เพื่อกระตุ้นเลเซอร์โซลิดสเตทการสูบน้ำด้วยไฟฟ้า: การกระตุ้นก๊าซในเลเซอร์ก๊าซด้วยกระแสไฟฟ้าการปั๊มเซมิคอนดักเตอร์: การใช้เลเซอร์ไดโอดเพื่อกระตุ้นตัวกลางเลเซอร์แบบโซลิดสเตท |
| โพรงแสง | โพรงแสงซึ่งประกอบด้วยกระจกสองบาน ทำหน้าที่สะท้อนแสงเพื่อเพิ่มความยาวของเส้นทางเดินแสงในตัวกลางขยายสัญญาณ จึงช่วยเพิ่มการขยายแสง นอกจากนี้ยังเป็นกลไกป้อนกลับสำหรับการขยายแสงเลเซอร์ โดยเลือกคุณลักษณะทางสเปกตรัมและเชิงพื้นที่ของแสง | โพรงระนาบ-ระนาบ: ใช้ในการวิจัยในห้องปฏิบัติการ โครงสร้างไม่ซับซ้อนโพรงเว้าระนาบ: พบได้ทั่วไปในเลเซอร์อุตสาหกรรม ให้ลำแสงคุณภาพสูง โพรงวงแหวนใช้ในการออกแบบเลเซอร์แบบวงแหวนเฉพาะ เช่น เลเซอร์ก๊าซแบบวงแหวน |
ตัวกลางขยายสัญญาณ: จุดเชื่อมต่อระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและวิศวกรรมเชิงแสง
พลวัตควอนตัมในตัวกลางขยายสัญญาณ
ตัวกลางขยายสัญญาณคือบริเวณที่กระบวนการขยายแสงขั้นพื้นฐานเกิดขึ้น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มีรากฐานมาจากกลศาสตร์ควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสถานะพลังงานและอนุภาคภายในตัวกลางนั้นถูกควบคุมโดยหลักการของการปล่อยแบบกระตุ้นและการผกผันของประชากร ความสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างความเข้มของแสง (I) ความเข้มเริ่มต้น (I0) พื้นที่หน้าตัดการเปลี่ยนผ่าน (σ21) และจำนวนอนุภาคที่ระดับพลังงานสองระดับ (N2 และ N1) อธิบายได้ด้วยสมการ I = I0e^(σ21(N2-N1)L) การบรรลุการผกผันของประชากร โดยที่ N2 > N1 นั้นมีความสำคัญต่อการขยายสัญญาณและเป็นรากฐานสำคัญของฟิสิกส์เลเซอร์1].
ระบบสามระดับเทียบกับระบบสี่ระดับ
ในการออกแบบเลเซอร์เชิงปฏิบัติ ระบบสามระดับและสี่ระดับเป็นที่นิยมใช้กัน ระบบสามระดับแม้จะเรียบง่ายกว่า แต่ต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร เนื่องจากระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่าเป็นสถานะพื้นฐาน ในทางกลับกัน ระบบสี่ระดับนำเสนอวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการทำให้เกิดการผกผันของประชากร เนื่องจากการสลายตัวแบบไม่แผ่รังสีอย่างรวดเร็วจากระดับพลังงานที่สูงกว่า ทำให้ระบบสี่ระดับแพร่หลายมากขึ้นในการใช้งานเลเซอร์สมัยใหม่2].
Is กระจกเจือเออร์เบียมระดับการขยายสัญญาณปานกลาง?
ใช่แล้ว แก้วที่เจือด้วยเออร์เบียมเป็นตัวกลางเพิ่มกำลังแสงชนิดหนึ่งที่ใช้ในระบบเลเซอร์ ในบริบทนี้ "การเจือ" หมายถึงกระบวนการเติมไอออนเออร์เบียม (Er³⁺) ในปริมาณที่กำหนดลงในแก้ว เออร์เบียมเป็นธาตุหายากที่เมื่อรวมเข้ากับตัวกลางที่เป็นแก้วแล้ว สามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานในการทำงานของเลเซอร์
กระจกเจือเออร์เบียมมีความโดดเด่นเป็นพิเศษในการใช้งานในเลเซอร์ใยแก้วและเครื่องขยายสัญญาณใยแก้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม เหมาะสำหรับงานเหล่านี้เพราะสามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความยาวคลื่นประมาณ 1550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นสำคัญสำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เนื่องจากมีการสูญเสียต่ำในใยแก้วซิลิกามาตรฐาน
เดอะเออร์เบียมไอออนดูดซับแสงปั๊ม (มักมาจากเลเซอร์ไดโอด) และถูกกระตุ้นให้มีสถานะพลังงานสูงขึ้น เมื่อพวกมันกลับสู่สถานะพลังงานต่ำลง พวกมันจะปล่อยโฟตอนที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ ซึ่งมีส่วนช่วยในกระบวนการเลเซอร์ ด้วยเหตุนี้ แก้วที่เจือด้วยเออร์เบียมจึงเป็นตัวกลางขยายสัญญาณที่มีประสิทธิภาพและใช้งานกันอย่างแพร่หลายในงานออกแบบเลเซอร์และเครื่องขยายสัญญาณต่างๆ
บล็อกที่เกี่ยวข้อง: ข่าว - กระจกเจือเออร์เบียม: วิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้
กลไกการสูบฉีด: แรงขับเคลื่อนเบื้องหลังเลเซอร์
แนวทางที่หลากหลายในการบรรลุเป้าหมายการผกผันประชากร
การเลือกกลไกการปั๊มมีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบเลเซอร์ โดยส่งผลต่อทุกสิ่งตั้งแต่ประสิทธิภาพไปจนถึงความยาวคลื่นเอาต์พุต การปั๊มด้วยแสง โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก เช่น หลอดไฟแฟลชหรือเลเซอร์อื่นๆ เป็นเรื่องปกติในเลเซอร์โซลิดสเตทและเลเซอร์ย้อมสี วิธีการปล่อยประจุไฟฟ้ามักใช้ในเลเซอร์ก๊าซ ในขณะที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มักใช้การฉีดอิเล็กตรอน ประสิทธิภาพของกลไกการปั๊มเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเลเซอร์โซลิดสเตทที่ปั๊มด้วยไดโอด ได้รับความสนใจอย่างมากในการวิจัยล่าสุด โดยมุ่งเน้นประสิทธิภาพและความกะทัดรัดที่สูงขึ้น3].
ข้อพิจารณาทางเทคนิคเกี่ยวกับประสิทธิภาพการสูบน้ำ
ประสิทธิภาพของกระบวนการปั๊มเป็นแง่มุมที่สำคัญของการออกแบบเลเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมและความเหมาะสมในการใช้งาน ในเลเซอร์โซลิดสเตท การเลือกใช้หลอดไฟแฟลชหรือไดโอดเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดปั๊มสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของระบบ ภาระความร้อน และคุณภาพของลำแสง การพัฒนาไดโอดเลเซอร์กำลังสูงและประสิทธิภาพสูงได้ปฏิวัติระบบเลเซอร์ DPSS ทำให้สามารถออกแบบได้กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น4].
โพรงแสง: การออกแบบลำแสงเลเซอร์
การออกแบบโพรง: ความสมดุลระหว่างฟิสิกส์และวิศวกรรม
โพรงแสงหรือตัวเรโซเนเตอร์ไม่ใช่เพียงส่วนประกอบแบบพาสซีฟ แต่เป็นส่วนสำคัญในการกำหนดรูปร่างของลำแสงเลเซอร์ การออกแบบโพรง รวมถึงความโค้งและการจัดเรียงของกระจก มีบทบาทสำคัญในการกำหนดเสถียรภาพ โครงสร้างโหมด และกำลังส่งออกของเลเซอร์ โพรงต้องได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มการขยายแสงในขณะที่ลดการสูญเสียให้น้อยที่สุด ซึ่งเป็นความท้าทายที่ผสมผสานวิศวกรรมแสงเข้ากับทัศนศาสตร์เชิงคลื่น5.
เงื่อนไขการสั่นและการเลือกโหมด
เพื่อให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ อัตราขยายที่ได้จากตัวกลางต้องมากกว่าการสูญเสียภายในโพรง เงื่อนไขนี้ ประกอบกับข้อกำหนดสำหรับการซ้อนทับของคลื่นที่สอดคล้องกัน กำหนดให้รองรับเฉพาะโหมดตามยาวบางโหมดเท่านั้น ระยะห่างระหว่างโหมดและโครงสร้างโหมดโดยรวมได้รับอิทธิพลจากความยาวทางกายภาพของโพรงและดัชนีหักเหของตัวกลางขยาย6].
บทสรุป
การออกแบบและการทำงานของระบบเลเซอร์ครอบคลุมหลักการทางฟิสิกส์และวิศวกรรมที่หลากหลาย ตั้งแต่กลศาสตร์ควอนตัมที่ควบคุมตัวกลางขยายสัญญาณไปจนถึงวิศวกรรมที่ซับซ้อนของโพรงแสง แต่ละองค์ประกอบของระบบเลเซอร์มีบทบาทสำคัญต่อการทำงานโดยรวม บทความนี้ได้นำเสนอภาพรวมของโลกที่ซับซ้อนของเทคโนโลยีเลเซอร์ พร้อมทั้งให้ข้อมูลเชิงลึกที่สอดคล้องกับความเข้าใจขั้นสูงของอาจารย์และวิศวกรด้านแสงในสาขานี้
เอกสารอ้างอิง
- 1. ซีกแมน AE (1986) เลเซอร์ หนังสือวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัย.
- 2. Svelto, O. (2010). หลักการของเลเซอร์. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). วิศวกรรมเลเซอร์โซลิดสเตท. สปริงเกอร์.
- 4. Piper, JA และ Mildren, RP (2014). เลเซอร์โซลิดสเตทแบบปั๊มด้วยไดโอด ใน Handbook of Laser Technology and Applications (เล่ม III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW และ Eberly, JH (2010). ฟิสิกส์เลเซอร์. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). หลักการพื้นฐานของเลเซอร์. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
วันที่โพสต์: 27 พฤศจิกายน 2023