Fructele progresului științific și tehnologic nu își găsesc întotdeauna expresia practică concretă imediat după pregătirea bazei teoretice. Acest lucru s-a întâmplat cu tehnologia laser, ale cărei posibilități nu au fost dezvăluite pe deplin până acum. Teoria generatoarelor cuantice optice, pe baza căreia a fost creat conceptul de dispozitive care emit radiații electromagnetice, a fost parțial stăpânită datorită optimizării tehnologiei laser. Cu toate acestea, experții notează că potențialul radiației optice poate deveni baza pentru o serie de descoperiri în viitor.
Principiul de funcționare al dispozitivului
În acest caz, un generator cuantic este înțeles ca un dispozitiv laser care funcționează în domeniul optic în condiții de radiație monocromatică, electromagnetică sau coerentă stimulată. Însăși originea cuvântului laser în traducere indică efectul de amplificare a luminii.prin emisie stimulată. Până în prezent, există mai multe concepte pentru implementarea unui dispozitiv laser, care se datorează ambiguității principiilor de funcționare a unui generator cuantic optic în diferite condiții.
Diferența cheie este principiul interacțiunii radiației laser cu substanța țintă. În procesul de radiație, energia este furnizată în anumite porțiuni (quanta), ceea ce vă permite să controlați natura efectului emițătorului asupra mediului de lucru sau a materialului obiectului țintă. Printre parametrii de bază care vă permit să reglați nivelurile efectelor electrochimice și optice ale laserului, se disting focalizarea, gradul de concentrare a fluxului, lungimea de undă, direcționalitatea etc.. În unele procese tehnologice, modul de timp al radiației joacă, de asemenea, un rol. rol - de exemplu, impulsurile pot avea o durată de la o fracțiune de secunde la zeci de femtosecunde cu intervale care variază de la un moment la câțiva ani.
Structură laser sinergic
La începutul conceptului de laser optic, sistemul de radiații cuantice în termeni fizici era înțeles în mod obișnuit ca o formă de auto-organizare a mai multor componente energetice. Astfel, s-a format conceptul de sinergetică, care a făcut posibilă formularea principalelor proprietăți și etape ale dezvoltării evolutive a laserului. Indiferent de tipul și principiul de funcționare al laserului, factorul cheie în acțiunea acestuia este trecerea dincolo de echilibrul atomilor de lumină, atunci când sistemul devine instabil și în același timp deschis.
Abaterile în simetria spațială a radiațiilor creează condiții pentru apariția unuicurgere. După atingerea unei anumite valori de pompare (abatere), generatorul cuantic optic al radiației coerente devine controlabil și se transformă într-o structură disipativă ordonată cu elemente ale unui sistem auto-organizat. În anumite condiții, dispozitivul poate funcționa ciclic în modul de radiație pulsată, iar modificările sale vor duce la pulsații haotice.
Componente de lucru cu laser
Acum merită să trecem de la principiul de funcționare la condițiile fizice și tehnice specifice în care funcționează un sistem laser cu anumite caracteristici. Cel mai important, din punct de vedere al performantelor generatoarelor cuantice optice, este mediul activ. De acesta, în special, depinde de intensitatea amplificării fluxului, de proprietățile feedback-ului și de semnalul optic în ansamblu. De exemplu, radiațiile pot apărea într-un amestec de gaze cu care funcționează astăzi majoritatea dispozitivelor laser.
Următoarea componentă este reprezentată de o sursă de energie. Cu ajutorul lui, se creează condiții pentru a menține inversarea populației de atomi ai mediului activ. Dacă tragem o analogie cu o structură sinergică, atunci sursa de energie este cea care va acționa ca un fel de factor în abaterea luminii de la starea normală. Cu cât suportul este mai puternic, cu atât pomparea sistemului este mai mare și efectul laserului este mai eficient. A treia componentă a infrastructurii de lucru este rezonatorul, care furnizează radiații multiple pe măsură ce trece prin mediul de lucru. Aceeași componentă contribuie la ieșirea de radiații optice într-un mod utilspectru.
Dispozitiv laser He-Ne
Cel mai comun factor de formă al unui laser modern, a cărui bază structurală este un tub cu descărcare în gaz, oglinzi cu rezonanță optică și o sursă de alimentare electrică. Ca mediu de lucru (tub de umplere) se folosește un amestec de heliu și neon, după cum sugerează și numele. Tubul în sine este fabricat din sticlă de cuarț. Grosimea structurilor cilindrice standard variază de la 4 la 15 mm, iar lungimea variază de la 5 cm la 3 m. La capetele țevilor, acestea sunt închise cu geamuri plate cu o pantă ușoară, ceea ce asigură un nivel suficient de polarizare laser..
Un generator cuantic optic bazat pe un amestec de heliu-neon are o lățime spectrală mică a benzilor de emisie de ordinul a 1,5 GHz. Această caracteristică oferă o serie de avantaje operaționale, determinând succesul dispozitivului în interferometrie, cititoare de informații vizuale, spectroscopie etc.
Dispozitiv laser cu semiconductor
Locul mediului de lucru în astfel de dispozitive este ocupat de un semiconductor, care se bazează pe elemente cristaline sub formă de impurități cu atomi de substanță chimică tri- sau pentavalentă (siliciu, indi). În ceea ce privește conductivitatea, acest laser se află între dielectrici și conductori cu drepturi depline. Diferența de calități de lucru trece prin parametrii valorilor de temperatură, concentrația de impurități și natura impactului fizic asupra materialului țintă. În acest caz, sursa de energie de pompare poate fi electricitatea,radiație magnetică sau fascicul de electroni.
Dispozitivul unui generator cuantic cu semiconductor optic folosește adesea un LED puternic realizat dintr-un material solid, care poate acumula cantități mari de energie. Un alt lucru este că munca în condiții de sarcini electrice și mecanice crescute duce rapid la uzura elementelor de lucru.
Dispozitiv cu laser colorat
Acest tip de generatoare optice a pus bazele formării unei noi direcții în tehnologia laser, care funcționează cu o durată a impulsului de până la picosecunde. Acest lucru a devenit posibil datorită utilizării coloranților organici ca mediu activ, dar un alt laser, de obicei unul cu argon, ar trebui să îndeplinească funcțiile de pompare.
În ceea ce privește proiectarea generatoarelor cuantice optice pe coloranți, se folosește o bază specială sub formă de cuvetă pentru a furniza impulsuri ultrascurte, unde se formează condiții de vid. Modelele cu rezonator inel într-un astfel de mediu permit pomparea colorantului lichid la viteze de până la 10 m/s.
Caracteristici ale emițătorilor de fibră optică
Un tip de dispozitiv laser în care funcțiile unui rezonator sunt îndeplinite de o fibră optică. Din punct de vedere al proprietăților de funcționare, acest generator este cel mai productiv din punct de vedere al volumului de radiație optică. Și asta în ciuda faptului că designul dispozitivului are o dimensiune foarte modestă în comparație cu alte tipuri de lasere.
KCaracteristicile generatoarelor cuantice optice de acest fel includ și versatilitatea în ceea ce privește posibilitățile de conectare a surselor de pompă. De obicei, pentru aceasta se folosesc grupuri întregi de ghiduri de undă optice, care sunt combinate în module cu o substanță activă, care contribuie și la optimizarea structurală și funcțională a dispozitivului.
Implementarea sistemului de management
Majoritatea dispozitivelor se bazează pe o bază electrică, datorită căreia pomparea energiei este asigurată direct sau indirect. În cele mai simple sisteme, prin acest sistem de alimentare sunt monitorizate indicatoare de putere care afectează intensitatea radiației într-un anumit interval optic.
Generatoarele cuantice profesionale conțin și o infrastructură optică dezvoltată pentru controlul fluxului. Prin astfel de module, în special, direcția duzei, puterea și lungimea pulsului, frecvența, temperatura și alte caracteristici operaționale sunt controlate.
Domenii de aplicare a laserelor
Deși generatoarele optice sunt încă dispozitive cu capacități încă nedezvăluite pe deplin, astăzi este dificil de a numi o zonă în care nu ar fi utilizate. Acestea au oferit industriei cel mai valoros efect practic ca instrument extrem de eficient pentru tăierea materialelor solide la costuri minime.
Generatoarele cuantice optice sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în metodele medicale în legătură cu microchirurgia oculară și cosmetologie. De exemplu, un laser universalașa-numitele bisturii fără sânge au devenit un instrument în medicină, permițând nu numai disecția, ci și conectarea țesuturilor biologice.
Concluzie
Astăzi, există mai multe direcții promițătoare în dezvoltarea generatoarelor de radiații optice. Cele mai populare includ tehnologia de sinteză strat cu strat, modelarea 3D, conceptul de combinare cu robotica (laser trackere), etc. În fiecare caz, se presupune că generatoarele cuantice optice vor avea propria lor aplicație specială - de la prelucrarea suprafeței de materiale și crearea ultra-rapidă de produse compozite pentru stingerea incendiilor prin radiații.
Evident, sarcinile mai complexe vor necesita creșterea puterii tehnologiei laser, în urma căreia pragul pericolului acesteia va fi și el crescut. Dacă astăzi principalul motiv pentru asigurarea siguranței atunci când lucrați cu astfel de echipamente este efectul nociv al acestuia asupra ochilor, atunci în viitor putem vorbi despre protecția specială a materialelor și obiectelor în apropierea cărora este organizată utilizarea echipamentelor.
