DeepLightSeekتعريف:
متوسط لتضخيم الليزر.
في فيزياء الليزر، وسيط كسب الليزر هو وسيط يمكن أن تضخم طاقة الضوء (عادة في شكل شعاع). في الليزر ، يحتاج الوسيط إلى تعويض فقدان تجويف الرنين ، والذي يشار إليه عادة باسم الوسيط النشط بالليزر. كما يمكن تطبيقها على مكبرات الألياف. الكسب يشير إلى درجة التضخيم.
بسبب الزيادة في طاقة الشعاع المكبر الناجمة عن وسيط المكسب ، يحتاج الوسيط نفسه أيضًا إلى تلقي الطاقة ، والتي يتم تحقيقها من خلال عملية الضخ. عموما ، تم تصميمها لتضخ بواسطة التيار (المضخة الكهربائية) أو موجة الضوء المدخلة (المضخة البصرية) ، ويجب أن يكون الطول الموجي للمضخة أصغر من الطول الموجي للضوء الإشارة.
أنواع وسائل الإعلام المكتسبة بالليزر
هناك العديد من أنواع وسائل الإعلام المكتسبة ، والشائعة هي كما يلي:
- بعض أشباه الموصلات المباشرة، مثل GaAs، AlGaAs، InGaAs، عادة ما يتم ضخها بواسطة التيار في شكل آبار كمية (انظر الليزر أشباه الموصلات).
- بلورات الليزر أو الزجاج ، مثل Nd: YAG (النيوديميوم منشط اليتريوم الألومنيوم غرانيت ، انظر ليزر اليتريوم الألومنيوم غرانيت) ، Yb: YAG (اليتريوم منشط YAG) ، Yb: الزجاج ، Er: YAG (اليتريوم منشط YAG) ، أو الزفير التيتانيوم ، في شكل ورقة صلبة (انظر الليزر السائب) أو الألياف الزجاجية البصرية (الليزر الألياف ، مضخم الألياف). يتم منشط هذه البلورات أو الزجاجات ببعض أيونات الليزر النشطة (معظمها أيونات عناصر الأرض النادرة الثلاثية القيمة ، وأحيانا أيونات المعادن الانتقالية) وتضخها موجات الضوء. يشار إلى الليزر باستخدام هذه الوسائط عادة باسم الليزر العازل المنشط.
- عادة ما يتم منشط وسائل الكسب السيراميكية بأيونات عناصر الأرض النادرة.
- تستخدم صبغات الليزر ، وعادة ما تكون محلول سائلة ، في الليزر الصبغ.
- تستخدم الليزرات الغازية الغازات أو مزيجات الغازات ، وعادة ما تضخها أجهزة التفريغ (مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر إكسيمر).
- بعض وسائط المكاسب الخاصة ، مثل وسائط المكاسب الكيميائية (تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة خفيفة) ، وسائط المضخة النووية ، والمحركات في الليزر الإلكتروني الحر (نقل الطاقة من شعاع الإلكترونات السريعة إلى شعاع).
بالمقارنة مع معظم المواد البلورية ، فإن الزجاج المضغوط بالأيونات لديه عرض نطاق ضخم أكبر ، مما يسمح بتعديل أطول موجة أكبر وتوليد نبضات قصيرة جداً. العيوب هي خصائص درجة الحرارة السيئة قليلا (الحد من الطاقة المخرجة التي تم الحصول عليها) والقطع العرضي الصغير للليزر ، مما يؤدي إلى عتبة طاقة مضخة كبيرة (للليزر المغلق في الوضع السلبي) والتبديل Q غير المستقر. يمكنك الرجوع إلى المقارنة بين بلورات الليزر والزجاج في المدخل لمزيد من المعلومات.
عادة ما يحتاج تركيز المنشطات في البلورات والسيراميك والزجاج إلى تحسين بعناية. في وجود امتصاص مضخة قوية في أطوال موجية قصيرة، يتطلب تركيز منشطات عالية نسبيا، ولكن هذا يمكن أن يسبب أيضا خسائر الطاقة المتعلقة بعمليات إطفاء، مثل التحويل الصعودي الناجم عن مجموعات الأيونات النشطة بالليزر ونقل الطاقة إلى العيوب.
تأثيرات جسدية مهمة
في معظم الحالات، فإن الأساس الفيزيائي لعملية التضخيم هو الإشعاع المحفز، مما يعني أن الفوتونات الحادثة تسبب المزيد من الإشعاع الفوتوني، مما يسبب أن الأيونات النشطة الليزرية المتحمسة تنتقل أولا إلى حالة متحمسة أقل طاقة قليلا. عملية وسط مكسب أربعة مستويات ووسط مكسب ثلاثي المستويات مختلفة.
يتم تحفيز عملية التضخيم الأقل تواتراً بتشتت رامان ، والتي تتضمن تحويل بعض فوتونات المضخة عالية الطاقة إلى فوتونات منخفضة الطاقة والفونونات (المتعلقة باهتزازات الشبكة). إذا كانت قوة الضوء الحادث عالية ووسط المكاسب يصل إلى تشبع المكاسب ، فستنخفض المكاسب. هذا يعني ، مع طاقة مضخة محدودة ،
لا يمكن للمضخم إضافة أي كمية من الطاقة إلى شعاع الحادث. في مكبرات الليزر ، ينخفض عدد أيونات المستوى العلوي في ظروف التشبع بسبب الإشعاع المحفز.
هناك تأثير حراري في وسط المكسب ، حيث يتم تحويل جزء من طاقة الضوء المضخة إلى حرارة. يمكن أن يسبب تدرج درجة الحرارة المتولد والتوتر الميكانيكي المصاحب تأثير المنظور ، مما يؤدي إلى تشوه شعاع الضوء المكبر. يمكن لهذه الآثار تدمير جودة شعاع الليزر ، وتقليل الكفاءة والمزايا ، وحتى تدمير وسيط المكسب (التمزق الحراري).
الخصائص الفيزيائية ذات الصلة لوسائل الإعلام المكتسبة بالليزر
في تطبيقات الليزر، والخصائص الفيزيائية للعديد من وسائل الإعلام المكسب مهمة. ويشمل أساسا:
- من الأفضل أن تحدث ذروة المكاسب في منطقة الطول الموجي حيث يتطلب الانتقال بالليزر
- وسيط الركيزة لديه شفافية عالية في نطاق الطول الموجي العمل
- مصدر ضوء مضخة جيدة، امتصاص مضخة فعالة
- عمر المستوى العلوي المناسب: يجب أن يكون طويلا بما فيه الكفاية لتطبيقات التبديل Q وقصيرا بما فيه الكفاية لتعديل الطاقة السريعة
- يتم الحصول على كفاءة كمية عالية من تأثيرات إطفاء منخفضة، وامتصاص الحالة المثيرة، وعمليات مماثلة، أو من تأثيرات مواتية مثل التحولات متعددة الفوتونات أو نقل الطاقة
- السلوك المثالي على أربعة مستويات، لأن سلوك شبه ثلاثي المستويات يقدم بعض القيود الإضافية
- قوة عالية وعمر طويل، الاستقرار الكيميائي
- لوسائل الكسب في الحالة الصلبة: يحتاج الوسيط الأساسي إلى أن يكون له جودة بصرية جيدة ، والتي يمكن قطعها أو تلميعها إلى جودة عالية (صلابة مناسبة) ، والسماح بالتنشيط مع تركيز عال من الأيونات النشطة الليزرية دون تشكيل العنقود ، والاستقرار الكيميائي الجيد ، والموصلية الحرارية الجيدة والمعامل البصري الحراري المنخفض (تأثير المنظور الحراري الضعيف أثناء التشغيل عالي الطاقة) ، والمقاومة للتوتر الميكانيكي ، وعادة ما يكون مطلوبًا التناظر البصري ، ولكن في بعض الأحيان قد يكون هناك حاجة إلى الانكسار المزدوج (تقليل تأثير إزالة
- عتبة طاقة المضخة المنخفضة عند مكسب عالي: منتج المقطع العرضي للإشعاع وعمر المستوى العلوي كبير نسبيا
- متطلبات جودة الشعاع المنخفضة لمصادر الضوء المضخة: الامتصاص العالي للمضخة ضروري
- ضبط الطول الموجي: يتطلب عرض النطاق الترددي الكبير
- توليد النبض القصير جداً: طيف مكسب واسع ومسطح ؛ التشتت المناسب وغير الخطي
- الليزر المغلق بالوضع السلبي بدون استقرار التبديل Q: مقطع عرضي الليزر كبير بما فيه الكفاية
- مضخم نبض عالي الطاقة (مضخم ردود الفعل الإيجابية): تأثير عتبة الضرر البصري العالية والتشبع المنخفض على المكسب
لاحظ أنه في بعض الحالات، قد تكون متطلبات متناقضة ضرورية. على سبيل المثال، العيوب الكمية المنخفضة جدا غير متوافقة مع نظام أربعة مستويات. المقطع العرضي لليزر المقابل لعرض النطاق الترددي الكبير أصغر مقارنة بالوضع المثالي ، وبالتالي لن تكون العيوب الكمية صغيرة جداً. الاضطراب في وسائل الإعلام المكتسبة في الحالة الصلبة يزيد من عرض النطاق الترددي المكتسب ، ولكنه يقلل أيضًا من الموصلية الحرارية.
طول امتصاص المضخة القصير مفيد ، لكنه يمكن أن يزيد من آثار الحرارة.
متطلبات وسائل الإعلام المكتسبة تختلف في حالات مختلفة. لذلك ، لا تزال العديد من وسائط الكسب مهمة جداً للتطبيقات ، ومن الضروري اختيار وسائط الكسب المناسبة عند تحسين تصميم الليزر.
