новости компании о Достижения лазерных технологий: от основ к передовым применениям

Лазеры стали незаменимы в современных технологиях, их применение варьируется от повседневных сканеров штрих-кодов и принтеров до сложных хирургических инструментов и оборудования для научных исследований. Однако само лазерное устройство остается плохо понятным для многих, несмотря на его решающую роль в генерации этих мощных световых лучей.

Основные принципы генерации лазера

Природа и характеристики лазеров

Лазер расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения». В отличие от обычных источников света, лазерный свет обладает несколькими уникальными свойствами:

• Высокая монохроматичность: Лазерный свет обладает чрезвычайно чистыми спектральными характеристиками с почти идентичными частотами фотонов.
• Высокая когерентность: Лазерные фотоны сохраняют фиксированные фазовые соотношения как в пространстве, так и во времени.
• Высокая направленность: Лазерные лучи демонстрируют минимальную расходимость, что позволяет передавать концентрированную энергию на большие расстояния.
• Высокая яркость: Лазеры достигают гораздо большей плотности энергии, чем обычные источники света.

Инверсия населенности: основной механизм

В основе генерации лазера лежит концепция инверсии населенности — неравновесного состояния, при котором больше атомов или молекул занимают более высокие энергетические уровни, чем более низкие. Достижение этой инверсии требует определенных методов накачки:

• Оптическая накачка с использованием интенсивных источников света
• Электрическая накачка посредством разряда тока
• Химическая накачка посредством экзотермических реакций

Вынужденное излучение и оптические резонаторы

После достижения инверсии населенности происходит вынужденное излучение, когда падающие фотоны вызывают идентичное излучение фотонов от возбужденных атомов. Этот процесс создает эффект усиления света. Оптические резонаторы, содержащие активную среду между отражающими зеркалами, затем формируют этот усиленный свет в когерентный лазерный луч.

Основные типы лазеров и их механизмы

Двухуровневые лазеры: теоретическая основа

Хотя чисто двухуровневые лазеры практически не существуют, они служат важными концептуальными моделями. Эти системы сталкиваются со значительными трудностями в достижении инверсии населенности из-за эффектов быстрой насыщенности, которые ограничивают потенциальную выходную мощность лазера.

Трехуровневые лазеры: введение вспомогательных состояний

Практические лазеры преодолевают двухуровневые ограничения, включая дополнительные энергетические уровни. Трехуровневые конфигурации бывают двух основных вариантов:

• С поддержкой верхнего уровня: Использует третий уровень над верхним лазерным уровнем для быстрого заполнения населенности (например, рубиновые лазеры)
• С поддержкой нижнего уровня: Использует третий уровень ниже нижнего лазерного уровня для быстрого опустошения (например, химические лазеры)

Четырехуровневые лазеры: конструкции с повышенной эффективностью

Сочетая преимущества обоих трехуровневых типов, четырехуровневые лазеры включают дополнительные энергетические состояния над и под лазерным переходом. Эта конфигурация обеспечивает более эффективную инверсию населенности и более высокую выходную мощность, что иллюстрируется лазерами Nd:YAG, работающими на длине волны 1064 нм.

Передовые лазерные технологии

Q-коммутация для импульсной работы

• Электрооптические устройства, использующие изменения показателя преломления, управляемые напряжением
• Акустооптические модуляторы, использующие звуковые волны
• Переключатели на основе красителей, использующие характеристики поглощения

Цикл Q-коммутации включает последовательные фазы накопления энергии и быстрого высвобождения, создавая импульсы наносекундного масштаба с пиковыми мощностями, намного превышающими непрерывную работу.

Новые тенденции и будущие направления

Лазерная технология продолжает развиваться по нескольким ключевым направлениям:

• Миниатюризация и фотонная интеграция для компактных систем
• Масштабирование мощности и повышение эффективности
• Разработка новых активных сред
• Расширение в экстремальные спектральные диапазоны

Эти достижения обещают открыть новые области применения в медицине, связи, производстве и научных исследованиях, а также решить критические вопросы безопасности при работе с высокой мощностью.