สมัครรับข่าวสารจากโซเชียลมีเดียของเรา
เลเซอร์ซึ่งเป็นรากฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่นั้นมีความน่าสนใจและซับซ้อนไม่แพ้กัน แก่นแท้ของเลเซอร์คือซิมโฟนีของส่วนประกอบต่างๆ ที่ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างแสงที่ขยายและสอดคล้องกัน บล็อกนี้จะเจาะลึกถึงความซับซ้อนของส่วนประกอบเหล่านี้ โดยมีหลักการและสมการทางวิทยาศาสตร์รองรับ เพื่อให้เข้าใจเทคโนโลยีเลเซอร์ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ข้อมูลเชิงลึกขั้นสูงเกี่ยวกับส่วนประกอบของระบบเลเซอร์: มุมมองทางเทคนิคสำหรับมืออาชีพ
| ส่วนประกอบ | การทำงาน | ตัวอย่าง |
| เพิ่มระดับกลาง | ตัวกลางเพิ่มค่าเกนคือวัสดุในเลเซอร์ที่ใช้ขยายแสง โดยตัวกลางนี้จะช่วยให้ขยายแสงได้ง่ายขึ้นผ่านกระบวนการกลับด้านของประชากรและการปล่อยแสงที่ถูกกระตุ้น การเลือกตัวกลางเพิ่มค่าเกนจะกำหนดลักษณะการแผ่รังสีของเลเซอร์ | เลเซอร์โซลิดสเตต:เช่น Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet) ใช้ในทางการแพทย์และอุตสาหกรรมเลเซอร์แก๊ส:เช่น เลเซอร์ CO2 ที่ใช้ในการตัดและเชื่อมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์:เช่น ไดโอดเลเซอร์ ใช้ในการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง และตัวชี้เลเซอร์ |
| แหล่งสูบน้ำ | แหล่งปั๊มจะจ่ายพลังงานให้กับตัวกลางที่ได้รับเพื่อให้เกิดการกลับด้านของประชากร (แหล่งพลังงานสำหรับการกลับด้านของประชากร) ทำให้สามารถใช้งานเลเซอร์ได้ | การสูบน้ำด้วยแสง:การใช้แหล่งกำเนิดแสงที่เข้มข้น เช่น ไฟแฟลช เพื่อปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตตการสูบน้ำด้วยไฟฟ้า:การกระตุ้นก๊าซในเลเซอร์ก๊าซโดยผ่านกระแสไฟฟ้าการปั๊มสารกึ่งตัวนำ:การใช้ไดโอดเลเซอร์ในการปั๊มตัวกลางเลเซอร์โซลิดสเตต |
| ช่องแสง | โพรงแสงซึ่งประกอบด้วยกระจกสองบาน สะท้อนแสงเพื่อเพิ่มความยาวเส้นทางของแสงในตัวกลางเกน จึงช่วยเพิ่มการขยายแสง โพรงแสงนี้ให้กลไกป้อนกลับสำหรับการขยายแสงเลเซอร์ โดยเลือกลักษณะสเปกตรัมและพื้นที่ของแสง | โพรงระนาบ-ระนาบ:ใช้ในงานวิจัยในห้องปฏิบัติการ โครงสร้างเรียบง่ายโพรงเว้าระนาบ:มักใช้ในเลเซอร์ในอุตสาหกรรม ให้ลำแสงคุณภาพสูง โพรงแหวน:ใช้ในการออกแบบเฉพาะของเลเซอร์วงแหวน เช่น เลเซอร์แก๊สวงแหวน |
ตัวกลางในการรับ: การเชื่อมโยงระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและวิศวกรรมออปติก
ไดนามิกควอนตัมในตัวกลางเกน
ตัวกลางรับค่าเป็นกระบวนการพื้นฐานของการขยายแสง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มีรากฐานมาจากกลศาสตร์ควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสถานะพลังงานและอนุภาคภายในตัวกลางนั้นควบคุมโดยหลักการของการปล่อยแสงที่ถูกกระตุ้นและการกลับด้านของประชากร ความสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างความเข้มของแสง (I) ความเข้มเริ่มต้น (I0) หน้าตัดการเปลี่ยนผ่าน (σ21) และจำนวนอนุภาคที่ระดับพลังงานทั้งสอง (N2 และ N1) อธิบายโดยสมการ I = I0e^(σ21(N2-N1)L) การบรรลุการกลับด้านของประชากร ซึ่ง N2 > N1 ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการขยายแสงและเป็นรากฐานสำคัญของฟิสิกส์เลเซอร์[1].
ระบบสามระดับเทียบกับระบบสี่ระดับ
ในการออกแบบเลเซอร์ในทางปฏิบัติ มักใช้ระบบสามระดับและสี่ระดับ ระบบสามระดับนั้นง่ายกว่า แต่ต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อให้เกิดการกลับทิศของประชากร เนื่องจากระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่าคือสถานะพื้น ในทางกลับกัน ระบบสี่ระดับให้เส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการกลับทิศของประชากรเนื่องจากการสลายตัวแบบไม่แผ่รังสีอย่างรวดเร็วจากระดับพลังงานที่สูงกว่า ทำให้ระบบดังกล่าวแพร่หลายมากขึ้นในการใช้งานเลเซอร์สมัยใหม่2].
Is กระจกโด๊ปเออร์เบียมตัวกลางเพิ่มผลตอบแทน?
ใช่แล้ว แก้วที่เติมเออร์เบียมเข้าไปนั้นเป็นประเภทของตัวกลางเพิ่มค่าที่ใช้ในระบบเลเซอร์ ในบริบทนี้ "การเติมสารเจือปน" หมายถึงกระบวนการเติมไอออนเออร์เบียม (Er³⁺) ลงในแก้วในปริมาณหนึ่ง เออร์เบียมเป็นธาตุหายากที่เมื่อรวมเข้ากับแก้วโฮสต์แล้ว จะสามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการปล่อยกระตุ้น ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานในการทำงานเลเซอร์
กระจกโดปเออร์เบียมมีความโดดเด่นเป็นพิเศษในการใช้ในเลเซอร์ไฟเบอร์และเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมโทรคมนาคม กระจกชนิดนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเหล่านี้ เนื่องจากสามารถขยายแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความยาวคลื่นประมาณ 1,550 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นหลักสำหรับการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง เนื่องจากมีการสูญเสียแสงต่ำในใยแก้วซิลิกามาตรฐาน
การเออร์เบียมไอออนดูดซับแสงจากปั๊ม (มักมาจากเลเซอร์ไดโอด) และถูกกระตุ้นไปสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้น เมื่อพวกมันกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า พวกมันจะปล่อยโฟตอนออกมาที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ ซึ่งมีส่วนช่วยในกระบวนการเลเซอร์ ซึ่งทำให้แก้วโดปเออร์เบียมกลายเป็นตัวกลางเพิ่มค่าที่มีประสิทธิภาพและใช้กันอย่างแพร่หลายในการออกแบบเลเซอร์และเครื่องขยายเสียงต่างๆ
บล็อกที่เกี่ยวข้อง: ข่าวสาร - กระจกโดปเออร์เบียม: วิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้
กลไกการสูบน้ำ: แรงขับเคลื่อนเบื้องหลังเลเซอร์
แนวทางที่หลากหลายในการบรรลุการผกผันของจำนวนประชากร
การเลือกกลไกการปั๊มถือเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบเลเซอร์ โดยส่งผลต่อทุกอย่างตั้งแต่ประสิทธิภาพไปจนถึงความยาวคลื่นเอาต์พุต การปั๊มด้วยแสงโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก เช่น ไฟแฟลชหรือเลเซอร์อื่นๆ เป็นเรื่องปกติในเลเซอร์โซลิดสเตตและเลเซอร์สีย้อม วิธีการปล่อยประจุไฟฟ้ามักใช้ในเลเซอร์แก๊ส ในขณะที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มักใช้การฉีดอิเล็กตรอน ประสิทธิภาพของกลไกการปั๊มเหล่านี้ โดยเฉพาะในเลเซอร์โซลิดสเตตที่ปั๊มด้วยไดโอด เป็นจุดสนใจที่สำคัญของการวิจัยล่าสุด ซึ่งให้ประสิทธิภาพและความกะทัดรัดที่สูงกว่า[3].
ข้อควรพิจารณาทางเทคนิคในประสิทธิภาพการสูบน้ำ
ประสิทธิภาพของกระบวนการปั๊มเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบเลเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมและความเหมาะสมในการใช้งาน ในเลเซอร์โซลิดสเตต การเลือกใช้แฟลชแลมป์หรือเลเซอร์ไดโอดเป็นแหล่งปั๊มอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของระบบ ภาระความร้อน และคุณภาพของลำแสง การพัฒนาไดโอดเลเซอร์กำลังสูงและประสิทธิภาพสูงได้ปฏิวัติระบบเลเซอร์ DPSS ทำให้สามารถออกแบบให้มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น[4].
โพรงออปติคอล: วิศวกรรมลำแสงเลเซอร์
การออกแบบโพรง: การกระทำที่สมดุลระหว่างฟิสิกส์และวิศวกรรม
โพรงแสงหรือเรโซเนเตอร์ไม่เพียงแต่เป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟเท่านั้น แต่ยังเป็นผู้มีส่วนร่วมในการสร้างรูปร่างลำแสงเลเซอร์ การออกแบบโพรง ซึ่งรวมถึงความโค้งและการจัดตำแหน่งของกระจก มีบทบาทสำคัญในการกำหนดเสถียรภาพ โครงสร้างโหมด และเอาต์พุตของเลเซอร์ โพรงต้องได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มค่าเกนแสงในขณะที่ลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งเป็นความท้าทายที่ผสมผสานวิศวกรรมแสงเข้ากับออปติกแบบคลื่น5.
เงื่อนไขการแกว่งและการเลือกโหมด
เพื่อให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ ค่าเกนที่ตัวกลางให้มาจะต้องมากกว่าการสูญเสียภายในโพรง เงื่อนไขนี้เมื่อรวมกับข้อกำหนดสำหรับการซ้อนทับของคลื่นที่สอดคล้องกัน กำหนดให้รองรับเฉพาะโหมดตามยาวบางโหมดเท่านั้น ระยะห่างของโหมดและโครงสร้างโหมดโดยรวมได้รับอิทธิพลจากความยาวทางกายภาพของโพรงและดัชนีการหักเหของตัวกลางค่าเกน6].
บทสรุป
การออกแบบและการทำงานของระบบเลเซอร์ครอบคลุมหลักการทางฟิสิกส์และวิศวกรรมที่หลากหลาย ตั้งแต่กลศาสตร์ควอนตัมที่ควบคุมตัวกลางเกนไปจนถึงวิศวกรรมที่ซับซ้อนของโพรงออปติก ส่วนประกอบแต่ละส่วนของระบบเลเซอร์มีบทบาทสำคัญในการทำงานโดยรวม บทความนี้จะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโลกที่ซับซ้อนของเทคโนโลยีเลเซอร์ พร้อมให้ข้อมูลเชิงลึกที่สอดคล้องกับความเข้าใจขั้นสูงของศาสตราจารย์และวิศวกรออปติกในสาขานี้
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). Diode Pumped Solid State Lasers. ใน Handbook of Laser Technology and Applications (เล่มที่ III) CRC Press
- 5. Milonni, PW และ Eberly, JH (2010). ฟิสิกส์เลเซอร์. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). หลักพื้นฐานของเลเซอร์. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
เวลาโพสต์: 27-11-2023