Плодовете на научно-техническия прогрес не винаги намират своя конкретен практически израз веднага след изготвянето на теоретичната основа. Това се случи с лазерната технология, чиито възможности досега не са напълно разкрити. Теорията на оптичните квантови генератори, въз основа на която е създадена концепцията за устройства, излъчващи електромагнитно лъчение, беше частично усвоена поради оптимизацията на лазерната технология. Експертите обаче отбелязват, че потенциалът на оптичното излъчване може да стане основа за редица открития в бъдеще.
Принципът на действие на устройството
В този случай квантов генератор се разбира като лазерно устройство, работещо в оптичния обхват при условия на стимулирано монохроматично, електромагнитно или кохерентно излъчване. Самият произход на думата лазер в превода показва ефекта на усилването на светлината.чрез стимулирана емисия. Към днешна дата има няколко концепции за внедряване на лазерно устройство, което се дължи на неяснотата на принципите на работа на оптичен квантов генератор при различни условия.
Ключовата разлика е принципът на взаимодействие на лазерното лъчение с целевото вещество. В процеса на излъчване енергията се доставя на определени порции (кванти), което ви позволява да контролирате естеството на ефекта на излъчвателя върху работната среда или материала на целевия обект. Сред основните параметри, които ви позволяват да регулирате нивата на електрохимични и оптични ефекти на лазера, се разграничават фокусирането, степента на концентрация на потока, дължината на вълната, насочеността и др. В някои технологични процеси времевият режим на излъчване също играе роля роля - например импулсите могат да имат продължителност от части секунди до десетки фемтосекунди с интервали, вариращи от един момент до няколко години.
Синергична лазерна структура
В зората на концепцията за оптичен лазер, системата от квантово излъчване във физически термини обикновено се разбираше като форма на самоорганизация на няколко енергийни компонента. Така се формира концепцията за синергетика, която даде възможност да се формулират основните свойства и етапи на еволюционното развитие на лазера. Независимо от вида и принципа на действие на лазера, ключовият фактор за неговото действие е излизането отвъд равновесието на светлинните атоми, когато системата става нестабилна и в същото време отворена.
Отклоненията в пространствената симетрия на излъчването създават условия за поява на импулсенпоток. След достигане на определена стойност на изпомпване (отклонение), оптичният квантов генератор на кохерентно излъчване става управляем и се трансформира в подредена дисипативна структура с елементи на самоорганизираща се система. При определени условия устройството може да работи в режим на импулсно излъчване циклично и промените му ще доведат до хаотични пулсации.
Лазерни работещи компоненти
Сега си струва да преминем от принципа на действие към конкретни физически и технически условия, в които работи лазерна система с определени характеристики. Най-важната, от гледна точка на производителността на оптичните квантови генератори, е активната среда. От него, по-специално, зависи от интензивността на усилването на потока, свойствата на обратната връзка и оптичния сигнал като цяло. Например, радиация може да се появи в газова смес, с която работят повечето лазерни устройства днес.
Следващият компонент е представен от източник на енергия. С негова помощ се създават условия за поддържане на инверсията на популацията на атомите на активната среда. Ако направим аналогия със синергична структура, тогава именно източникът на енергия ще действа като един вид фактор за отклонението на светлината от нормалното състояние. Колкото по-мощна е опората, толкова по-високо е изпомпването на системата и толкова по-ефективен е лазерният ефект. Третият компонент на работната инфраструктура е резонаторът, който осигурява многократно излъчване при преминаване през работната среда. Същият компонент допринася за изхода на оптично излъчване в полезенспектър.
He-Ne лазерно устройство
Най-често срещаният форм-фактор на модерен лазер, чиято структурна основа е газоразрядна тръба, оптични резонаторни огледала и електрическо захранване. Като работна среда (пълнител на тръби) 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 варира от 5 см до 3 м. В краищата на тръбите те са затворени с плоски стъкла с лек наклон, което осигурява достатъчно ниво на лазерна поляризация.
Оптичен квантов генератор, базиран на хелий-неонова смес, има малка спектрална ширина на лентите на излъчване от порядъка на 1,5 GHz. Тази характеристика осигурява редица оперативни предимства, обуславяйки успеха на устройството в интерферометрията, четците на визуална информация, спектроскопията и др.
Полупроводниково лазерно устройство
Мястото на работната среда в такива устройства е заето от полупроводник, който се основава на кристални елементи под формата на примеси с атоми на три- или петвалентен химикал (силиций, индий). По отношение на проводимостта този лазер стои между диелектриците и пълноценните проводници. Разликата в работните качества минава през параметрите на температурните стойности, концентрацията на примеси и естеството на физическото въздействие върху целевия материал. В този случай източникът на енергия за изпомпване може да бъде електричество,магнитна радиация или електронен лъч.
Устройството на оптичен полупроводников квантов генератор често използва мощен светодиод, изработен от твърд материал, който може да акумулира големи количества енергия. Друго нещо е, че работата в условия на повишени електрически и механични натоварвания бързо води до износване на работните елементи.
Лазерно устройство за боядисване
Този тип оптични генератори положиха основата за формиране на ново направление в лазерната технология, работеща с продължителност на импулса до пикосекунди. Това стана възможно благодарение на използването на органични багрила като активна среда, но друг лазер, обикновено аргонов, трябва да изпълнява функциите на изпомпване.
Що се отнася до проектирането на оптични квантови генератори върху багрила, се използва специална основа под формата на кювета за осигуряване на ултракъси импулси, при които се формират условия на вакуум. Модели с пръстеновиден резонатор в такава среда позволяват изпомпване на течна боя със скорост до 10 m/s.
Характеристики на оптичните излъчватели
Тип лазерно устройство, при което функциите на резонатор се изпълняват от оптично влакно. От гледна точка на работните свойства този генератор е най-продуктивният по отношение на обема на оптичното излъчване. И това въпреки факта, че дизайнът на устройството има много скромен размер в сравнение с други видове лазери.
KХарактеристиките на оптичните квантови генератори от този вид включват и гъвкавост по отношение на възможностите за свързване на помпени източници. Обикновено за това се използват цели групи оптични вълноводи, които се комбинират в модули с активно вещество, което също допринася за структурната и функционална оптимизация на устройството.
Внедряване на системата за управление
Повечето устройства са базирани на електрическа основа, поради което изпомпването на енергия се осигурява пряко или индиректно. В най-простите системи чрез тази система за захранване се наблюдават индикатори за мощност, които влияят върху интензитета на излъчване в определен оптичен диапазон.
Професионалните квантови генератори също съдържат развита оптична инфраструктура за контрол на потока. Чрез такива модули се контролира по-специално посоката на дюзата, мощността и дължината на импулса, честотата, температурата и други работни характеристики.
Области на приложение на лазерите
Въпреки че оптичните генератори все още са устройства с все още не напълно разкрити възможности, днес е трудно да се посочи област, където те не биха били използвани. Те дадоха на индустрията най-ценния практически ефект като високоефективен инструмент за рязане на твърди материали с минимални разходи.
Оптичните квантови генератори също са широко използвани в медицинските методи във връзка с микрохирургията на очите и козметологията. Например, универсален лазертака наречените безкръвни скалпели се превърнаха в инструмент в медицината, позволяващ не само дисекция, но и свързване на биологични тъкани.
Заключение
Днес има няколко обещаващи направления в развитието на генераторите на оптично излъчване. Най-популярните са технологията за синтез на слой по слой, 3D моделирането, концепцията за комбиниране с роботиката (лазерни тракери) и др. Във всеки случай се предполага, че оптичните квантови генератори ще имат свое специално приложение - от обработка на повърхността от материали и свръхбързо създаване на композитни продукти за гасене на пожар чрез радиация.
Очевидно по-сложните задачи ще изискват увеличаване на мощността на лазерната технология, в резултат на което прагът на нейната опасност също ще се увеличи. Ако днес основната причина за осигуряване на безопасност при работа с такова оборудване е вредното му въздействие върху очите, то в бъдеще можем да говорим за специална защита на материали и предмети, в близост до които е организирано използването на оборудването..
