Оптичният квантов осцилатор

Резултатите от научно-техническия прогрес невинаги намират своя конкретен израз в практиката веднага след като теоретичната основа е завършена. Такъв е случаят и с лазерната технология, чиито възможности все още не са напълно използвани. Теорията на оптичните квантови осцилатори, въз основа на която е създадена концепцията за устройства, излъчващи електромагнитно лъчение, е частично овладяна чрез оптимизиране на лазерната технология. Въпреки това експертите отбелязват, че потенциалът на оптичното излъчване може да бъде в основата на редица бъдещи открития.

Принцип на работа на устройството

Под квантов генератор тук се разбира лазерно устройство, което работи в оптичния диапазон в условията на стимулирано монохроматично, електромагнитно или кохерентно излъчване. Самият произход на думата "лазер" в превод показва ефекта на усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация. Днес съществуват няколко различни концепции за внедряване на лазерно устройство, основани на неяснота на принципите на работа на оптичен квантов осцилатор при различни условия.

Основният фактор за разликите е принцип на взаимодействие лазерно лъчение с целевия материал. По време на процеса на излъчване енергията се подава на определени порции (кванти), което позволява да се контролира естеството на въздействието на излъчвателя върху работната среда или материала на целевия обект. Основните параметри за регулиране на нивата на електрохимично и оптично въздействие на лазера включват: фокус, степен на концентрация на потока, дължина на вълната, насоченост и др. д. В някои приложения целевият материал може да бъде изложен на лазерния лъч по различни начини технологични процеси времето на излъчване също играе роля - например импулсите могат да бъдат с дължина от част от секундата до десетки фемтосекунди, като интервалите варират от един миг до няколко години.

Синергетична структура на лазера

В началото на концепцията за оптичния лазер квантовата емисионна система се разбираше от физична гледна точка като форма на самоорганизация на няколко енергийни компонента. По този начин се формира понятието синергетика, което позволява да се формулират основните свойства и етапите на еволюция на лазера. Независимо от вида и принцип на работа на лазера, ключът към действието му е да се премине отвъд равновесието на светлинните атоми, когато системата става нестабилна и в същото време отворена.

Отклоненията в пространствената симетрия на лъчението създават условия за появата на импулсен поток. След достигане на определена стойност на изпомпване (отклонение) оптичният квантов генератор на кохерентно излъчване става управляем и се превръща в подредена дисипативна структура със самоорганизиращи се системни елементи. При определени условия устройството може да работи циклично в режим на импулсно излъчване, а вариациите му ще доведат до хаотични пулсации.

Работен компонент на лазера

Сега е необходимо да се премине от принципа на действие към конкретните физични и технически условия, при които работи лазерната система със специфични характеристики. От гледна точка на работата на оптичния квантов осцилатор най-важното нещо е активната среда. По-специално, той влияе върху интензивността на усилването на потока, свойствата на обратната връзка и оптичния сигнал като цяло. Например емисиите могат да възникнат в газовата смес, с която работят повечето лазери днес.

Следващият компонент се състои от източника на енергия. Използва се за създаване на условия за поддържане на инверсия на популацията на активната среда. Ако направим аналогия със синергичната структура, именно енергийният източник е своеобразен фактор за отклоняване на светлината от нормалното състояние. Колкото по-мощна е поддръжката, толкова по-високо е изпомпването на системата и толкова по-ефективен е лазерният ефект. Третият компонент на работната инфраструктура е резонаторът, който осигурява многократно по-голямо излъчване при преминаването му през средата. Същият компонент допринася и за излъчването на оптично лъчение в полезния спектър.

Дизайн на хелий-неонов лазер

Най-често срещаният форм-фактор на съвременния лазер, който се състои от газоразрядна тръба, оптични огледала-резонатори и електрическо захранване. За работна среда (пълнител на тръбата) се използва смес от хелий и неон, както подсказва името. Самата тръба е изработена от кварцово стъкло. Дебелината на стандартните цилиндрични конструкции варира от 4 до 15 мм, а дължината - от 5 см до 3 м. Тръбите са облицовани с плоски стъкла с малък наклон, които позволяват достатъчна поляризация на лазера.

Оптичен квантов осцилатор върху хелий-неонова смес има малка спектрална честотна лента от около 1,5 GHz. Тази характеристика предлага редица предимства в работата и се използва успешно в интерферометрията, устройствата за четене на изображения, спектроскопията и др. д.

Структура на полупроводников лазер

Работната среда в тези устройства е полупроводник, който се основава на кристални елементи под формата на примеси с атоми на тривалентен или пентавалентен химикал (силиций, индий). Специфичната проводимост на този лазер е между тази на диелектрик и напълно функционален проводник. Различията в работата са по отношение на температурата, концентрацията на примеси и естеството на физическото въздействие върху целевия материал. Енергийният източник за изпомпване в този случай може да бъде електричество, магнитно излъчване или електронен лъч.

Полупроводниковият оптичен квантов осцилатор често използва мощни светодиоди в твърдотелен материал, който може да съхранява големи количества енергия. Друг момент е, че по-високото електрическо и механично напрежение бързо води до износване на работните елементи.

Проектиране на лазери с багрило

Този вид оптичен осцилатор е отговорен за основата за формиране на нова насока в лазерните технологии, работещи с импулси с продължителност до пикосекунда. Това е възможно, като се използват органични багрила като активна среда, но друг лазер, обикновено аргонов, трябва да изпълнява функцията на изпомпване.

Що се отнася до конструкцията на оптичните квантови генератори на багрила, за осигуряване на ултракъси импулси се използва специална основа под формата на кювета, в която се формират вакуумни условия. Моделите на пръстеновидни резонатори в такава среда позволяват изпомпване на течно багрило със скорост до 10 m/s.

Особености на оптичните радиатори

Вид лазерно устройство, в което функцията на резонатор се изпълнява от оптично влакно. От гледна точка на производителността той е най-ефективният генератор по отношение на изходното оптично излъчване. И това е така въпреки факта, че конструкцията на устройството е с много скромни размери в сравнение с други видове лазери.

Друга особеност на този тип оптични квантови генератори е тяхната гъвкавост по отношение на възможностите за свързване на помпени източници. Обикновено това се прави с помощта на цели групи оптични вълноводи, които се комбинират в модули с активно вещество, което също допринася за структурната и функционалната оптимизация на устройството.

Внедряване на системата за контрол

Повечето устройства се основават на електрически гръбнак, който ги изпомпва директно или индиректно. В най-простите системи изходните мощности, влияещи върху интензивността на излъчването в определен оптичен диапазон, се контролират чрез тази система за мощност.

Квантовите генератори за професионални приложения съдържат и усъвършенствана оптична инфраструктура за контрол на потока. Тези модули се използват за управление, наред с други неща, на посоката на дюзата, мощността на импулса, дължината на импулса, честотата, температурата и други параметри.

Лазерни приложения

Въпреки че оптичните осцилатори са все още неизползван потенциал, трудно е да се посочат области, в които те не се използват днес. Най-ценният им практически ефект е за промишлеността като високоефективен инструмент за рязане на твърди материали при минимални разходи.

Оптичните квантови генератори се използват широко и в терапевтичните процедури в офталмологичната микрохирургия и козметиката. Например универсалният лазерен инструмент в медицината са така наречените безкръвни скалпели, които позволяват не само рязане, но и сливане на биологични тъкани.

Заключение

Към днешна дата има няколко обещаващи направления за разработване на генератори на оптично лъчение. Някои от най-популярните от тях са: технология за сливане слой по слой, 3D моделиране, концепция за свързване с роботика (лазерни тракери) и др. д. Всяко приложение включва специфична употреба на оптичните квантови генератори - от повърхностна обработка на материали и свръхбързо производство на композитни материали до гасене на пожари чрез излъчване на радиация.

Очевидно е, че по-сложните задачи ще изискват увеличаване на мощността на лазерните техники, което води до по-висока степен на опасност. Ако днес основната причина за осигуряване на безопасност при работа с такова оборудване е вредното му въздействие върху очите, в бъдеще може да възникне необходимост от специална защита на материалите и предметите, в близост до които се организира използването на оборудването.