В области современной фотоники и лазерной инженериилазерный стерженьЗачастую появляющийся как простой цилиндрический кристалл или стекло, лазерный стержень является, на самом деле, критической средой усиления, ответственной за создание согласованных, монохромных,и высоконаправленный светЕе функция связывает микроскопические взаимодействия уровней атомной энергии с макроскопическими технологиями, которые управляют коммуникацией, производством, медициной и фундаментальной наукой.

1. ВведениеЛазерные трости

Лазерный стержень - это твердое средство усиления, предназначенное для усиления света черезстимулируемая эмиссияОбычно стержень изготавливается из кристаллических материалов, таких как Nd:YAG (неодимодопированный гитриевый алюминиевый гранат), Ti:Sapphire или Ruby (Al2O3 допированный Cr3 +).Стержень часто наполняется специфическими активными ионами, которые поглощают энергию из внешнего источника насоса, обычно фонарики или диодного лазера, и впоследствии высвобождают эту энергию в виде когерентных фотонов.

Несмотря на свою простую внешность, лазерный стержень действует как сложный энергопередатчик:Он преобразует энергию несовместимого насоса в высокосовместимое лазерное излучение с точно определенными характеристиками длины волны и фазы..

2Выбор материала и структурные соображения

Показатели работы лазерного стержня сильно зависят как от выбора материала, так и от его структурных параметров.

• Тип кристалловКаждый лазерный кристалл обладает характерными длинами волн, теплопроводностью и оптическим качеством.

• Концентрация допирующего вещества: концентрация активных ионов должна быть тщательно оптимизирована.тепловое линзированиеи концентрация тушения, ухудшение качества луча.

• Геометрия стержней: стандартные лазерные стержни цилиндрические, с полированными к высокому оптическому качеству конечными поверхностями.может оптимизировать структуру режима и теплораспределение.

Эти факторы имеют решающее значение для обеспечения эффективного лазера, равномерного профиля луча и тепловой стабильности.

3Оперативный механизм

Лазерный стержень работает по принципу:стимулируемая эмиссия, который включает несколько этапов:

1. Возбуждение насоса: Источник насоса впрыскивает энергию в стержень, возбуждая ионы допанта из основного состояния до более высоких уровней энергии.

2. Начало спонтанной эмиссии: возбужденные ионы спонтанно распадаются, излучая фотоны с характерной длиной волны.

3. Стимулированное усиление выбросов: Фотоны, проходящие через среду увеличения, стимулируют дальнейшее излучение от возбужденных ионов, производя экспоненциальное усиление когерентного света.

4. Лазерная выходная сцепка: Усиленный свет резонирует внутри оптической полости и выходит через частично отражающее зеркало в виде когерентного лазерного луча.

Этот процесс можно представить как каскадную энергию, проходящую через тщательно организованную цепную реакцию, преобразующую микроскопические атомные переходы в макроскопический когерентный свет.

4Тепловое управление и оптические проблемы

Одной из основных проблем в работе лазерного стержня является тепловое управление. Высокая интенсивность насоса неизбежно генерирует тепло внутри стержня, что приводит к неравномерному распределению температуры.Этот тепловой градиент вызываеттепловое линзирование, изменение показателя преломления, которое может исказить пучок и снизить эффективность.

Стратегии смягчения последствий:

• Активное охлаждение: Водоохлаждаемые или проводящие теплоотводы, окружающие стержень.

• Оптимизированные размеры стержней: балансировка длины и диаметра стержня для минимизации накопления тепла.

• Композитные конструкции: Включает недопированные конечные крышки или облицовки для уменьшения теплового напряжения и сохранения качества луча.

Эффективное тепловое управление имеет решающее значение для высокомощных лазеров, используемых в промышленной обработке, научных исследованиях и медицинских приложениях.

5Приложения и новые границы

Лазерные стержни служат основными компонентами для широкого спектра научных и технологических применений:

• Промышленное и прецизионное производство: Высокопроизводительные твердотельные лазеры с использованием стержней Nd:YAG являются стандартными инструментами для резки, сварки и микрофабрикации.

• Медицинская терапия и хирургия: Специфические длины волн из лазерных стержней позволяют высокоточную абляцию тканей и неинвазивные методы лечения.

• Квантовая оптика и исследования: Лазерные стержни обеспечивают стабильные, последовательные источники света для экспериментов по квантовой связи, спектроскопии и ультрабыстрой оптике.

• Физика высоких энергий: Лазерные стержни большой диафрагмы используются в экспериментах с термоядерным синтезом и других высокоэнергетических лазерных системах.

Будущие достижения сосредоточены на новых кристаллических композициях, более высокой эффективности допинга и инженерной геометрии стержней для достижения превосходного качества луча, более высокой выходной мощности и настраиваемых диапазонов длин волн.

6Заключение.

Лазерный стержень, хотя и выглядит обманчиво просто, представляет собой вершину точной оптической инженерии.Он переводит дискретные энергетические переходы ионов-допантов в когерентные пучки, которые питают как научные открытия, так и практические приложения.Поскольку наука о материалах и лазерная инженерия продолжают развиваться, лазерный стержень остается краеугольным камнем инноваций, соединяющим квантовый и макроскопический миры с помощью точного управления светом.