Proiectarea unui oscilator cuantic optic

Nu este întotdeauna posibil ca roadele progresului științific și tehnologic să-și găsească expresia concretă, practică, imediat ce sunt puse bazele teoretice. Acesta a fost cazul tehnologiei laser, al cărei potențial nu a fost încă pe deplin exploatat. Teoria generatoarelor cuantice optice, pe care s-a bazat conceptul de dispozitive care emit radiații electromagnetice, este parțial stăpânită prin optimizarea tehnologiei laser. Cu toate acestea, experții remarcă faptul că potențialul radiațiilor optice ar putea sta la baza unei serii de descoperiri viitoare.

Cum funcționează dispozitivul

Un oscilator cuantic este definit aici ca fiind un aparat laser care funcționează în domeniul optic în condiții de radiație stimulată monocromatică, electromagnetică sau coerentă. Însăși originea cuvântului laser indică efectul de amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiații. Astăzi există mai multe concepte diferite pentru implementarea unui dispozitiv laser ambiguitatea principiilor de funcționare generator cuantic optic în condiții diferite.

Cheia diferențelor sunt principiul interacțiunii emiterea laserului către materialul țintă. În timpul procesului de emisie, energia este aplicată în porțiuni definite (cuante), astfel încât să se controleze natura efectului emițătorului asupra mediului de lucru sau a materialului obiectului țintă. Parametrii de bază care permit ajustarea nivelurilor de expunere electrochimică și optică cu laser includ: focalizarea, gradul de concentrare a fluxului, lungimea de undă, directivitatea etc. д. În unele procese de fabricație Momentul în care se produce radiația joacă, de asemenea, un rol important: de exemplu, impulsurile pot avea o durată de la o fracțiune de secundă până la zeci de femtosecunde, cu pauze de la o clipă la mai mulți ani.

Structura sinergică a laserului

La începuturile conceptului de laser optic, sistemul de radiație cuantică a fost înțeles în termeni fizici ca o formă de auto-organizare a mai multor componente energetice. Astfel, s-a format conceptul de sinergetică, care a făcut posibilă formularea proprietăților și etapelor de bază ale dezvoltării evolutive a laserului. Indiferent de tipul și principii de funcționare a laserului, cheia acțiunii sale constă în depășirea echilibrului atomilor de lumină, când sistemul devine instabil și în același timp deschis.

Abaterile în simetria spațială a radiației creează condițiile pentru apariția fluxului pulsatoriu. După ce se atinge o anumită valoare de pompare (deviație), generatorul cuantic optic de radiație coerentă devine controlabil și se transformă într-o structură disipativă ordonată cu elemente de sistem autoorganizatoric. În anumite condiții, dispozitivul poate funcționa în modul de emisie pulsată ciclic, iar variațiile sale vor conduce la pulsații haotice.

Componentele de funcționare ale laserului

Acum merită să trecem de la principiul de funcționare la condițiile fizice și tehnice specifice, în care funcționează un sistem laser cu anumite caracteristici. De cea mai mare importanță, din punctul de vedere al performanței oscilatoarelor cuantice optice, este mediul activ. Aceasta determină, printre altele, intensitatea amplificării fluxului, proprietățile feedback-ului și semnalul optic în general. De exemplu, emisia poate avea loc în amestecul de gaze pe care funcționează majoritatea laserelor din ziua de azi.

Următoarea componentă este reprezentată de sursa de energie. Se utilizează pentru a crea condițiile de menținere a inversiunii populației de atomi din mediul activ. Dacă facem o analogie cu o structură sinergetică, aceasta este sursa de energie care va acționa ca un fel de factor de abatere a luminii de la starea normală. Cu cât suportul este mai puternic, cu atât mai mare este pomparea sistemului și cu atât mai eficient este efectul laser. Cea de-a treia componentă este rezonatorul, care furnizează de mai multe ori radiația în timp ce trece prin mediu. Aceeași componentă contribuie, de asemenea, la producerea de radiații optice în spectrul util.

Structura unui laser cu heliu-neon

Cel mai comun factor de formă al unui laser modern, a cărui bază structurală constă dintr-un tub de descărcare în gaz, oglinzi optice-rezonatoare și o sursă de alimentare electrică. Un amestec de heliu și neon este utilizat ca mediu de lucru (umplutură a tubului), după cum sugerează și numele. Tubul în sine este fabricat din sticlă de cuarț. Modelele cilindrice standard variază în grosime de la 4 la 15 mm și în lungimi de la 5 cm la 3 m. Tuburile sunt închise la capete cu geamuri plate, ușor înclinate, care permit o polarizare suficientă a laserului.

Generatorul cuantic optic care utilizează un amestec heliu-neon are o lățime de bandă spectrală mică, de aproximativ 1,5 GHz. Această caracteristică oferă o serie de avantaje operaționale și a dus la aplicații de succes în interferometrie, imagistică vizuală, spectroscopie etc. д.

Proiectarea unui laser cu semiconductor

Mediul de lucru în astfel de dispozitive este un semiconductor bazat pe elemente cristaline sub formă de impurități cu atomi de o substanță chimică trivalentă sau pentavalentă (siliciu, indiu). Acest laser se situează între dielectrici și conductori complet funcționali în ceea ce privește conductivitatea sa specifică. Diferențele de performanță sunt în ceea ce privește temperatura, concentrația de impurități și natura efectului fizic asupra materialului țintă. Sursa de energie poate fi alimentată electric sau poate fi pompată de radiații electromagnetice sau de un fascicul de electroni.

Generatorul cuantic optic într-un semiconductor constă adesea într-un LED solid de mare putere, care poate stoca cantități mari de energie. Diferența constă în faptul că stresul electric și mecanic mai mare provoacă rapid uzura elementelor de lucru.

Proiectarea laserelor cu coloranți

Acest tip de oscilator optic este la originea baza pentru O nouă direcție în tehnologia laser cu durate ale impulsurilor de până la picosecunde. Acest lucru este posibil prin utilizarea coloranților organici ca mediu activ, dar un alt laser, de obicei un laser cu argon, trebuie să îndeplinească funcția de pompare.

În ceea ce privește proiectarea generatoarelor cuantice de coloranți optici, pentru a produce impulsuri foarte scurte se utilizează o bază specială sub forma unei cuvete, unde se formează condiții de vid. Modelele cu un rezonator inelar într-un astfel de mediu permit pomparea colorantului lichid la viteze de până la 10 m/s.

Caracteristicile emițătoarelor de fibre optice

Un tip de dispozitiv laser în care funcția de rezonator este asigurată de o fibră optică. Din punct de vedere al performanțelor, acest generator este cel mai productiv în ceea ce privește volumul de radiații optice. Și totuși, are dimensiuni foarte modeste în comparație cu alte tipuri de lasere.

Una dintre caracteristicile acestui tip de generatoare cuantice optice este versatilitatea lor în ceea ce privește conectivitatea sursei de pompare. Acest lucru se realizează, de obicei, prin utilizarea unor grupuri întregi de ghiduri de undă optice care sunt combinate în module cu substanțe active, ceea ce contribuie, de asemenea, la optimizarea structurală și funcțională a dispozitivului.

Punerea în aplicare a unui sistem de control

Majoritatea dispozitivelor au o coloană vertebrală electrică care le permite să fie pompate direct sau indirect de sursa de energie. În cele mai simple sisteme, puterea de ieșire, care influențează intensitatea emisiei într-un anumit domeniu optic, este controlată prin intermediul acestui sistem de alimentare.

Generatoarele cuantice pentru aplicații profesionale conțin o infrastructură optică elaborată pentru monitorizarea fluxului. Controlul direcției duzei, al puterii și lungimii impulsurilor, al frecvenței, al temperaturii și al altor parametri de funcționare.

Aplicații laser

Deși generatoarele optice reprezintă încă un potențial neexploatat, este greu să ne gândim la vreun domeniu în care acestea nu sunt utilizate în prezent. Ele au avut cel mai valoros efect practic în industrie, fiind un instrument extrem de eficient pentru tăierea materialelor solide la costuri minime.

Generatoarele cuantice optice sunt utilizate pe scară largă în metodele de tratament în microchirurgia oftalmologică și în cosmetologie. De exemplu, așa-numitele bisturie fără sânge au devenit un instrument laser versatil în medicină, permițând nu numai tăierea, ci și fuzionarea țesuturilor biologice.

Concluzie

Până în prezent, există mai multe direcții promițătoare pentru dezvoltarea generatoarelor de radiații optice. Printre cele mai populare se numără tehnologia de fuziune strat cu strat, modelarea 3D, conceptul de robotică (laser tracker) etc. д. Fiecare caz are propria sa aplicație particulară pentru generatoarele cuantice optice - de la tratarea suprafețelor materialelor și crearea ultra-rapidă de obiecte compozite până la combaterea incendiilor prin intermediul radiațiilor.

În mod clar, sarcinile mai complexe vor necesita o creștere a capacității tehnologiei laser, ceea ce va duce la un prag de pericol mai ridicat. Dacă, în prezent, principala preocupare în ceea ce privește siguranța la lucrul cu astfel de echipamente este efectul nociv asupra ochilor, atunci, în viitor, ar putea fi necesară o protecție specială a materialelor și obiectelor din apropierea cărora urmează să fie utilizate echipamentele.