สมัครสมาชิกโซเชียลมีเดียของเราเพื่อรับโพสต์ทันที
เลเซอร์ ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ล้วนแต่น่าหลงใหลและซับซ้อน แก่นแท้ของเลเซอร์คือการผสมผสานขององค์ประกอบต่างๆ ที่ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างแสงที่ขยายและสอดคล้องกัน บล็อกนี้จะเจาะลึกความซับซ้อนขององค์ประกอบเหล่านี้ พร้อมด้วยหลักการและสมการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อให้เข้าใจเทคโนโลยีเลเซอร์ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ข้อมูลเชิงลึกขั้นสูงเกี่ยวกับส่วนประกอบของระบบเลเซอร์: มุมมองทางเทคนิคสำหรับมืออาชีพ
| ส่วนประกอบ | การทำงาน | ตัวอย่าง |
| เพิ่มระดับกลาง | ตัวกลางเพิ่มค่าเกนคือวัสดุในเลเซอร์ที่ใช้สำหรับขยายแสง ตัวกลางนี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการขยายแสงผ่านกระบวนการกลับด้านของประชากรและการปล่อยรังสีกระตุ้น การเลือกตัวกลางเพิ่มค่าเกนจะเป็นตัวกำหนดลักษณะการแผ่รังสีของเลเซอร์ | เลเซอร์โซลิดสเตต:เช่น Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet) ใช้ในทางการแพทย์และอุตสาหกรรมเลเซอร์แก๊ส: เช่น เลเซอร์ CO2 ที่ใช้ในการตัดและเชื่อมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์:เช่น ไดโอดเลเซอร์ ใช้ในการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง และตัวชี้เลเซอร์ |
| แหล่งสูบน้ำ | แหล่งสูบจ่ายพลังงานให้กับตัวกลางที่ได้รับเพื่อให้เกิดการกลับด้านของประชากร (แหล่งพลังงานสำหรับการกลับด้านของประชากร) ทำให้สามารถใช้งานเลเซอร์ได้ | การสูบน้ำด้วยแสง:การใช้แหล่งกำเนิดแสงที่เข้มข้น เช่น ไฟแฟลช เพื่อปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตตการสูบน้ำด้วยไฟฟ้า:การกระตุ้นก๊าซในเลเซอร์ก๊าซผ่านกระแสไฟฟ้าการสูบเซมิคอนดักเตอร์:การใช้ไดโอดเลเซอร์ในการปั๊มตัวกลางเลเซอร์แบบโซลิดสเตต |
| โพรงออปติคอล | โพรงแสงซึ่งประกอบด้วยกระจกสองบาน ทำหน้าที่สะท้อนแสงเพื่อเพิ่มความยาวเส้นทางของแสงในตัวกลางเกน ซึ่งจะช่วยเพิ่มการขยายแสง โพรงแสงนี้ทำหน้าที่เป็นกลไกป้อนกลับสำหรับการขยายแสงเลเซอร์ โดยเลือกคุณลักษณะเชิงสเปกตรัมและเชิงพื้นที่ของแสง | โพรงระนาบ-ระนาบ:ใช้ในงานวิจัยในห้องปฏิบัติการ โครงสร้างเรียบง่ายโพรงเว้าระนาบ:ใช้ทั่วไปในเลเซอร์ในอุตสาหกรรม ให้ลำแสงคุณภาพสูง โพรงวงแหวน:ใช้ในการออกแบบเฉพาะของเลเซอร์วงแหวน เช่น เลเซอร์ก๊าซวงแหวน |
ตัวกลางเกน: ศูนย์กลางของกลศาสตร์ควอนตัมและวิศวกรรมออปติก
พลวัตควอนตัมในตัวกลางเกน
ตัวกลางรับแสงคือจุดที่เกิดกระบวนการพื้นฐานของการขยายแสง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มีรากฐานมาจากกลศาสตร์ควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสถานะพลังงานและอนุภาคภายในตัวกลางถูกควบคุมโดยหลักการของการแผ่รังสีแบบกระตุ้นและการกลับทิศของประชากร ความสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างความเข้มแสง (I) ความเข้มเริ่มต้น (I0) หน้าตัดทรานซิชัน (σ21) และจำนวนอนุภาคที่ระดับพลังงานสองระดับ (N2 และ N1) อธิบายได้ด้วยสมการ I = I0e^(σ21(N2-N1)L) การบรรลุการกลับทิศของประชากร โดยที่ N2 > N1 เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการขยายแสงและเป็นรากฐานสำคัญของฟิสิกส์เลเซอร์1].
ระบบสามระดับเทียบกับระบบสี่ระดับ
ในการออกแบบเลเซอร์ในทางปฏิบัติ มักใช้ระบบสามระดับและสี่ระดับ ระบบสามระดับแม้จะง่ายกว่า แต่ต้องใช้พลังงานมากกว่าในการทำให้เกิดการกลับทิศของประชากร เนื่องจากระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่าคือสถานะพื้น ในทางกลับกัน ระบบสี่ระดับให้เส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการทำให้เกิดการกลับทิศของประชากร เนื่องจากการสลายตัวแบบไม่แผ่รังสีที่รวดเร็วจากระดับพลังงานที่สูงกว่า ทำให้ระบบนี้แพร่หลายมากขึ้นในการใช้งานเลเซอร์สมัยใหม่2].
Is กระจกโด๊ปเออร์เบียมตัวกลางเพิ่มเกน?
ใช่แล้ว แก้วโด๊ปเออร์เบียมเป็นชนิดของตัวกลางเพิ่มกำลังที่ใช้ในระบบเลเซอร์ ในบริบทนี้ "การโด๊ป" หมายถึงกระบวนการเติมไอออนเออร์เบียม (Er³⁺) ในปริมาณหนึ่งลงในแก้ว เออร์เบียมเป็นธาตุหายากที่เมื่อรวมเข้ากับแก้วโฮสต์จะสามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการปล่อยรังสีกระตุ้น ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานในการทำงานเลเซอร์
กระจกโด๊ปเออร์เบียมมีความโดดเด่นเป็นพิเศษสำหรับการนำไปใช้ในเลเซอร์ไฟเบอร์และเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเหล่านี้ เนื่องจากสามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความยาวคลื่นประมาณ 1550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นหลักสำหรับการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง เนื่องจากมีการสูญเสียแสงต่ำในเส้นใยซิลิกามาตรฐาน
การเออร์เบียมไอออนดูดซับแสงจากปั๊ม (มักมาจากไดโอดเลเซอร์) และถูกกระตุ้นไปยังสถานะพลังงานที่สูงขึ้น เมื่อพวกมันกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า พวกมันจะปล่อยโฟตอนที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ ซึ่งมีส่วนช่วยในกระบวนการเลเซอร์ ซึ่งทำให้แก้วโดปเออร์เบียมเป็นสื่อกลางในการเพิ่มอัตราขยายที่มีประสิทธิภาพและถูกใช้อย่างกว้างขวางในการออกแบบเลเซอร์และเครื่องขยายเสียงต่างๆ
บล็อกที่เกี่ยวข้อง: ข่าวสาร - กระจกผสมเออร์เบียม: วิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้
กลไกการสูบน้ำ: แรงขับเคลื่อนเบื้องหลังเลเซอร์
แนวทางที่หลากหลายในการบรรลุการกลับด้านของประชากร
การเลือกกลไกการสูบมีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบเลเซอร์ โดยมีอิทธิพลต่อทุกสิ่งตั้งแต่ประสิทธิภาพไปจนถึงความยาวคลื่นเอาต์พุต การสูบด้วยแสงโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก เช่น ไฟฉายหรือเลเซอร์อื่นๆ เป็นเรื่องปกติในเลเซอร์โซลิดสเตตและเลเซอร์สีย้อม โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์แก๊สจะใช้วิธีการคายประจุไฟฟ้า ในขณะที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มักใช้การฉีดอิเล็กตรอน ประสิทธิภาพของกลไกการสูบเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเลเซอร์โซลิดสเตตที่ใช้ไดโอดสูบ เป็นจุดสนใจสำคัญของงานวิจัยล่าสุด ซึ่งให้ประสิทธิภาพและความกะทัดรัดที่สูงขึ้น3].
ข้อควรพิจารณาทางเทคนิคในประสิทธิภาพการสูบน้ำ
ประสิทธิภาพของกระบวนการสูบน้ำเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบเลเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมและความเหมาะสมในการใช้งาน ในเลเซอร์โซลิดสเตต การเลือกใช้หลอดแฟลชและไดโอดเลเซอร์เป็นแหล่งจ่ายปั๊มอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบ ภาระความร้อน และคุณภาพของลำแสง การพัฒนาไดโอดเลเซอร์กำลังสูงและประสิทธิภาพสูงได้ปฏิวัติระบบเลเซอร์ DPSS ทำให้การออกแบบมีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น[4].
โพรงแสง: วิศวกรรมลำแสงเลเซอร์
การออกแบบโพรง: การปรับสมดุลระหว่างฟิสิกส์และวิศวกรรม
โพรงแสงหรือเรโซเนเตอร์ ไม่เพียงแต่เป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟเท่านั้น แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดรูปร่างลำแสงเลเซอร์ การออกแบบโพรง รวมถึงความโค้งและการจัดตำแหน่งของกระจก มีบทบาทสำคัญในการกำหนดเสถียรภาพ โครงสร้างโหมด และเอาต์พุตของเลเซอร์ โพรงต้องได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มอัตราขยายแสงควบคู่ไปกับการลดการสูญเสียแสงให้น้อยที่สุด ซึ่งเป็นความท้าทายที่ผสานรวมวิศวกรรมแสงเข้ากับออปติกแบบคลื่น5.
เงื่อนไขการแกว่งและการเลือกโหมด
เพื่อให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ ค่าเกนที่ได้จากตัวกลางจะต้องมากกว่าค่าความสูญเสียภายในโพรง เงื่อนไขนี้ ประกอบกับข้อกำหนดสำหรับการซ้อนทับของคลื่นที่สอดคล้องกัน กำหนดให้รองรับเฉพาะโหมดตามยาวบางโหมดเท่านั้น ระยะห่างของโหมดและโครงสร้างโหมดโดยรวมได้รับอิทธิพลจากความยาวทางกายภาพของโพรงและดัชนีหักเหของตัวกลางค่าเกน6].
บทสรุป
การออกแบบและการทำงานของระบบเลเซอร์ครอบคลุมหลักการทางฟิสิกส์และวิศวกรรมศาสตร์ที่หลากหลาย ตั้งแต่กลศาสตร์ควอนตัมที่ควบคุมตัวกลางเกนไปจนถึงวิศวกรรมที่ซับซ้อนของโพรงแสง แต่ละส่วนประกอบของระบบเลเซอร์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานโดยรวม บทความนี้ได้นำเสนอมุมมองอันซับซ้อนของโลกเทคโนโลยีเลเซอร์ พร้อมนำเสนอข้อมูลเชิงลึกที่สอดคล้องกับความเข้าใจขั้นสูงของอาจารย์และวิศวกรแสงในสาขานี้
อ้างอิง
- 1. ซีกแมน AE (1986) เลเซอร์ หนังสือวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัย.
- 2. Svelto, O. (2010). หลักการของเลเซอร์. Springer.
- 3. Koechner, W. (2006). วิศวกรรมเลเซอร์โซลิดสเตต. Springer.
- 4. Piper, JA และ Mildren, RP (2014). เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มไดโอด ในคู่มือเทคโนโลยีเลเซอร์และการประยุกต์ใช้ (เล่ม III) สำนักพิมพ์ CRC
- 5. Milonni, PW และ Eberly, JH (2010). ฟิสิกส์เลเซอร์. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). พื้นฐานเลเซอร์. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
เวลาโพสต์: 27 พ.ย. 2566