Owoce postępu naukowego i technicznego nie zawsze znajdują swój konkretny praktyczny wyraz zaraz po przygotowaniu podstaw teoretycznych. Tak stało się z technologią laserową, której możliwości do tej pory nie zostały w pełni ujawnione. Teoria optycznych generatorów kwantowych, na podstawie której powstała koncepcja urządzeń emitujących promieniowanie elektromagnetyczne, została częściowo opanowana dzięki optymalizacji technologii laserowej. Eksperci zauważają jednak, że potencjał promieniowania optycznego może stać się podstawą wielu odkryć w przyszłości.
Zasada działania urządzenia
W tym przypadku generator kwantowy rozumiany jest jako urządzenie laserowe działające w zakresie optycznym w warunkach stymulowanego promieniowania monochromatycznego, elektromagnetycznego lub koherentnego. Samo pochodzenie słowa laser w tłumaczeniu wskazuje na efekt wzmocnienia światła.przez wymuszoną emisję. Do chwili obecnej istnieje kilka koncepcji realizacji urządzenia laserowego, co wynika z niejednoznaczności zasad działania optycznego generatora kwantowego w różnych warunkach.
Kluczową różnicą jest zasada interakcji promieniowania laserowego z substancją docelową. W procesie promieniowania energia dostarczana jest w określonych porcjach (kwantach), co pozwala kontrolować charakter oddziaływania emitera na środowisko pracy lub materiał obiektu docelowego. Wśród podstawowych parametrów pozwalających na regulację poziomów efektów elektrochemicznych i optycznych lasera wyróżnia się ogniskowanie, stopień koncentracji strumienia, długość fali, kierunkowość itp. W niektórych procesach technologicznych również czasowy tryb promieniowania odgrywa rolę rola - na przykład impulsy mogą trwać od ułamka sekundy do kilkudziesięciu femtosekund z interwałami od chwili do kilku lat.
Synergiczna struktura lasera
U zarania koncepcji lasera optycznego system promieniowania kwantowego w kategoriach fizycznych był powszechnie rozumiany jako forma samoorganizacji kilku składników energii. W ten sposób powstała koncepcja synergii, która umożliwiła sformułowanie głównych właściwości i etapów ewolucyjnego rozwoju lasera. Niezależnie od rodzaju i zasady działania lasera, kluczowym czynnikiem w jego działaniu jest wyjście poza równowagę lekkich atomów, kiedy układ staje się niestabilny i jednocześnie otwarty.
Odchylenia w przestrzennej symetrii promieniowania stwarzają warunki do pojawienia się impulsupływ. Po osiągnięciu określonej wartości pompowania (odchylenia) optyczny kwantowy generator promieniowania koherentnego staje się sterowalny i przekształca się w uporządkowaną strukturę dyssypatywną z elementami samoorganizującego się układu. W określonych warunkach urządzenie może pracować cyklicznie w trybie promieniowania pulsacyjnego, a jego zmiany spowodują chaotyczne pulsacje.
Komponenty do pracy lasera
Teraz warto przejść od zasady działania do konkretnych warunków fizycznych i technicznych, w jakich pracuje system laserowy o określonych właściwościach. Najważniejszym z punktu widzenia wydajności optycznych generatorów kwantowych jest ośrodek aktywny. Od tego w szczególności zależy intensywność wzmocnienia przepływu, właściwości sprzężenia zwrotnego i sygnału optycznego jako całości. Na przykład promieniowanie może wystąpić w mieszaninie gazów, na której działa większość dzisiejszych urządzeń laserowych.
Następny składnik jest reprezentowany przez źródło energii. Z jego pomocą tworzone są warunki do utrzymania inwersji populacji atomów ośrodka aktywnego. Jeśli narysujemy analogię ze strukturą synergistyczną, to źródło energii będzie działać jako rodzaj czynnika odchylenia światła od stanu normalnego. Im mocniejsze wsparcie, tym większe pompowanie systemu i skuteczniejszy efekt lasera. Trzecim elementem infrastruktury roboczej jest rezonator, który w trakcie przechodzenia przez środowisko pracy emituje wielokrotne promieniowanie. Ten sam składnik przyczynia się do wyjścia promieniowania optycznego w użytecznymwidmo.
Urządzenie laserowe He-Ne
Najpopularniejszy kształt nowoczesnego lasera, którego podstawą konstrukcyjną jest rura wyładowcza, lustra rezonatora optycznego i zasilacz elektryczny. Jako czynnik roboczy (wypełniacz rurki) stosuje się, jak sama nazwa wskazuje, mieszaninę helu i neonu. Sama tuba wykonana jest ze szkła kwarcowego. Grubość standardowych struktur cylindrycznych waha się od 4 do 15 mm, a długość waha się od 5 cm do 3 m. Na końcach rur są one zamknięte szkiełkami płaskimi z lekkim spadkiem, co zapewnia odpowiedni poziom polaryzacji lasera.
Optyczny generator kwantowy oparty na mieszaninie helowo-neonowej ma małą szerokość widmową pasm emisyjnych rzędu 1,5 GHz. Ta cecha daje szereg korzyści operacyjnych, powodujących sukces urządzenia w interferometrii, czytnikach informacji wizualnej, spektroskopii itp.
Urządzenie laserowe półprzewodnikowe
Miejsce czynnika roboczego w takich urządzeniach zajmuje półprzewodnik, który jest oparty na elementach krystalicznych w postaci zanieczyszczeń z atomami trój- lub pięciowartościowej substancji chemicznej (krzem, ind). Pod względem przewodnictwa laser ten stoi pomiędzy dielektrykami a pełnowartościowymi przewodnikami. Różnica w jakości pracy wynika z parametrów wartości temperatury, stężenia zanieczyszczeń oraz charakteru fizycznego oddziaływania na materiał docelowy. W takim przypadku źródłem energii pompowania może być energia elektryczna,promieniowanie magnetyczne lub wiązka elektronów.
Urządzenie optycznego półprzewodnikowego generatora kwantowego często wykorzystuje mocną diodę LED wykonaną z litego materiału, która może akumulować duże ilości energii. Inna sprawa, że praca w warunkach zwiększonych obciążeń elektrycznych i mechanicznych szybko prowadzi do zużycia elementów roboczych.
Urządzenie laserowe barwnikowe
Ten typ generatorów optycznych położył podwaliny pod utworzenie nowego kierunku w technologii laserowej, działającej z czasem trwania impulsu do pikosekund. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu barwników organicznych jako ośrodka aktywnego, ale inny laser, zwykle argonowy, powinien pełnić funkcję pompującą.
Jeśli chodzi o projektowanie optycznych generatorów kwantowych na barwnikach, specjalna podstawa w postaci kuwety służy do dostarczania ultrakrótkich impulsów, w których powstają warunki próżni. Modele z rezonatorem pierścieniowym w takim środowisku umożliwiają pompowanie płynnego barwnika z prędkością do 10 m/s.
Cechy emiterów światłowodowych
Rodzaj urządzenia laserowego, w którym funkcje rezonatora pełni światłowód. Z punktu widzenia właściwości eksploatacyjnych generator ten jest najbardziej wydajny pod względem objętości promieniowania optycznego. I to pomimo faktu, że konstrukcja urządzenia ma bardzo skromne rozmiary w porównaniu do innych typów laserów.
KDo cech tego typu optycznych generatorów kwantowych należy również uniwersalność pod względem możliwości podłączenia źródeł pompowych. Zwykle wykorzystuje się do tego całe grupy falowodów optycznych, które są łączone w moduły z substancją czynną, co również przyczynia się do optymalizacji konstrukcyjnej i funkcjonalnej urządzenia.
Wdrożenie systemu zarządzania
Większość urządzeń jest oparta na zasadzie elektrycznej, dzięki czemu pompowanie energii jest dostarczane bezpośrednio lub pośrednio. W najprostszych systemach, poprzez ten system zasilania, monitorowane są wskaźniki mocy, które wpływają na natężenie promieniowania w określonym zakresie optycznym.
Profesjonalne generatory kwantowe zawierają również rozwiniętą infrastrukturę optyczną do kontroli przepływu. Poprzez takie moduły kontrolowane są w szczególności kierunek dyszy, moc i długość impulsu, częstotliwość, temperatura i inne parametry operacyjne.
Obszary zastosowania laserów
Chociaż generatory optyczne to wciąż urządzenia o jeszcze nie w pełni ujawnionych możliwościach, dziś trudno jest wskazać obszar, w którym nie byłyby używane. Dali branży najcenniejszy praktyczny efekt jako wysoce wydajne narzędzie do cięcia materiałów litych przy minimalnych kosztach.
Optyczne generatory kwantowe są również szeroko stosowane w metodach medycznych w odniesieniu do mikrochirurgii oka i kosmetologii. Na przykład uniwersalny lasertak zwane bezkrwawe skalpele stały się instrumentem w medycynie, pozwalającym nie tylko preparować, ale także łączyć tkanki biologiczne.
Wniosek
Obecnie istnieje kilka obiecujących kierunków rozwoju generatorów promieniowania optycznego. Do najpopularniejszych należą: technologia syntezy warstwa po warstwie, modelowanie 3D, koncepcja łączenia z robotyką (śledzenie laserowe) itp. W każdym przypadku zakłada się, że optyczne generatory kwantowe będą miały swoje specjalne zastosowanie - od obróbki powierzchni materiałów i ultraszybkie tworzenie wyrobów kompozytowych do gaszenia ognia za pomocą promieniowania.
Oczywiście bardziej złożone zadania będą wymagały zwiększenia mocy technologii laserowej, w wyniku czego podniesiony zostanie również próg jej zagrożenia. Jeśli dziś głównym powodem zapewnienia bezpieczeństwa podczas pracy z takim sprzętem jest jego szkodliwy wpływ na oczy, to w przyszłości możemy mówić o szczególnej ochronie materiałów i przedmiotów, w pobliżu których organizowane jest użytkowanie sprzętu.
