Los frutos del progreso científico y tecnológico no siempre encuentran su expresión práctica concreta inmediatamente después de la preparación de la base teórica. Esto sucedió con la tecnología láser, cuyas posibilidades no se han revelado completamente hasta ahora. La teoría de los generadores cuánticos ópticos, en base a la cual se creó el concepto de dispositivos que emiten radiación electromagnética, se dominó parcialmente debido a la optimización de la tecnología láser. Sin embargo, los expertos señalan que el potencial de la radiación óptica puede convertirse en la base de una serie de descubrimientos en el futuro.
El principio de funcionamiento del dispositivo
En este caso, se entiende por generador cuántico un dispositivo láser que opera en el rango óptico en condiciones de radiación monocromática, electromagnética o coherente estimulada. El mismo origen de la palabra láser en la traducción indica el efecto de la amplificación de la luz.por emisión estimulada. Hasta la fecha, existen varios conceptos para la implementación de un dispositivo láser, lo que se debe a la ambigüedad de los principios de funcionamiento de un generador cuántico óptico en diferentes condiciones.
La diferencia clave es el principio de interacción de la radiación láser con la sustancia objetivo. En el proceso de radiación, la energía se suministra en ciertas porciones (cuantos), lo que le permite controlar la naturaleza del efecto del emisor en el entorno de trabajo o el material del objeto de destino. Entre los parámetros básicos que le permiten ajustar los niveles de efectos electroquímicos y ópticos del láser, se distinguen el enfoque, el grado de concentración de flujo, la longitud de onda, la direccionalidad, etc.. En algunos procesos tecnológicos, el modo de radiación en el tiempo también juega un papel importante. papel: por ejemplo, los pulsos pueden tener una duración de una fracción de segundo a decenas de femtosegundos con intervalos que van desde un momento hasta varios años.
Estructura láser sinérgica
En los albores del concepto de láser óptico, el sistema de radiación cuántica en términos físicos se entendía comúnmente como una forma de autoorganización de varios componentes de energía. Así, se formó el concepto de sinergética, que permitió formular las principales propiedades y etapas del desarrollo evolutivo del láser. Independientemente del tipo y principio de funcionamiento del láser, el factor clave en su acción es ir más allá del equilibrio de los átomos de luz, cuando el sistema se vuelve inestable y al mismo tiempo abierto.
Las desviaciones en la simetría espacial de la radiación crean condiciones para la aparición de un pulsocaudal. Después de alcanzar un cierto valor de bombeo (desviación), el generador cuántico óptico de radiación coherente se vuelve controlable y se transforma en una estructura disipativa ordenada con elementos de un sistema autoorganizado. Bajo ciertas condiciones, el dispositivo puede funcionar en el modo de radiación pulsada cíclicamente, y sus cambios darán lugar a pulsaciones caóticas.
Componentes de trabajo láser
Ahora vale la pena pasar del principio de funcionamiento a las condiciones físicas y técnicas específicas en las que opera un sistema láser con ciertas características. El más importante, desde el punto de vista del rendimiento de los generadores cuánticos ópticos, es el medio activo. De él, en particular, depende la intensidad de la amplificación del flujo, las propiedades de la retroalimentación y la señal óptica en su conjunto. Por ejemplo, la radiación puede ocurrir en una mezcla de gases en la que operan la mayoría de los dispositivos láser en la actualidad.
El siguiente componente está representado por una fuente de energía. Con su ayuda, se crean las condiciones para mantener la inversión de la población de átomos del medio activo. Si hacemos una analogía con una estructura sinérgica, entonces es la fuente de energía la que actuará como una especie de factor en la desviación de la luz del estado normal. Cuanto más potente sea el soporte, mayor será el bombeo del sistema y más efectivo el efecto láser. El tercer componente de la infraestructura de trabajo es el resonador, que proporciona radiación múltiple a medida que pasa por el entorno de trabajo. El mismo componente contribuye a la salida de radiación óptica en un útilespectro.
Dispositivo láser He-Ne
El factor de forma más común de un láser moderno, cuya base estructural es un tubo de descarga de gas, espejos resonadores ópticos y una fuente de alimentación eléctrica. Como medio de trabajo (relleno de tubos) se utiliza una mezcla de helio y neón, como su nombre lo indica. El tubo en sí está hecho de vidrio de cuarzo. El espesor de las estructuras cilíndricas estándar varía de 4 a 15 mm, y la longitud varía de 5 cm a 3 m. En los extremos de los tubos, se cierran con vidrios planos con una ligera pendiente, lo que garantiza un nivel suficiente de polarización láser..
Un generador cuántico óptico basado en una mezcla de helio-neón tiene un pequeño ancho espectral de bandas de emisión del orden de 1,5 GHz. Esta característica proporciona una serie de ventajas operativas, provocando el éxito del dispositivo en interferometría, lectores de información visual, espectroscopia, etc.
Dispositivo láser semiconductor
El lugar del medio de trabajo en tales dispositivos lo ocupa un semiconductor, que se basa en elementos cristalinos en forma de impurezas con átomos de una sustancia química trivalente o pentavalente (silicio, indio). En términos de conductividad, este láser se encuentra entre los dieléctricos y los conductores de pleno derecho. La diferencia en las cualidades de trabajo pasa por los parámetros de los valores de temperatura, la concentración de impurezas y la naturaleza del impacto físico en el material objetivo. En este caso, la fuente de energía del bombeo puede ser la electricidad,radiación magnética o haz de electrones.
El dispositivo de un generador cuántico de semiconductores ópticos suele utilizar un potente LED fabricado con un material sólido, que puede acumular grandes cantidades de energía. Otra cosa es que el trabajo en condiciones de mayores cargas eléctricas y mecánicas conduce rápidamente al desgaste de los elementos de trabajo.
Dispositivo láser de tinte
Este tipo de generadores ópticos sentó las bases para la formación de una nueva dirección en la tecnología láser, operando con una duración de pulso de hasta picosegundos. Esto fue posible gracias al uso de tintes orgánicos como medio activo, pero otro láser, normalmente uno de argón, debería realizar las funciones de bombeo.
En cuanto al diseño de generadores cuánticos ópticos sobre colorantes, se utiliza una base especial en forma de cubeta para proporcionar pulsos ultracortos, donde se forman condiciones de vacío. Los modelos con un resonador de anillo en dicho entorno permiten bombear tinte líquido a velocidades de hasta 10 m/s.
Características de los emisores de fibra óptica
Un tipo de dispositivo láser en el que las funciones de un resonador las realiza una fibra óptica. Desde el punto de vista de las propiedades operativas, este generador es el más productivo en términos de volumen de radiación óptica. Y esto a pesar de que el diseño del dispositivo tiene un tamaño muy modesto en comparación con otros tipos de láseres.
KLas características de los generadores cuánticos ópticos de este tipo incluyen también la versatilidad en cuanto a las posibilidades de conectar fuentes de bombeo. Por lo general, se utilizan grupos enteros de guías de ondas ópticas, que se combinan en módulos con una sustancia activa, lo que también contribuye a la optimización estructural y funcional del dispositivo.
Implementación del sistema de gestión
La mayoría de los dispositivos se basan en una base eléctrica, por lo que el bombeo de energía se proporciona directa o indirectamente. En los sistemas más simples, a través de este sistema de alimentación, se monitorean indicadores de potencia que afectan la intensidad de la radiación dentro de un rango óptico determinado.
Los generadores cuánticos profesionales también contienen una infraestructura óptica desarrollada para el control de flujo. A través de dichos módulos, en particular, se controlan la dirección de la boquilla, la potencia y la duración del pulso, la frecuencia, la temperatura y otras características operativas.
Campos de aplicación de los láseres
Aunque los generadores ópticos siguen siendo dispositivos con capacidades aún no completamente reveladas, hoy en día es difícil nombrar un área en la que no se utilizarían. Le dieron a la industria el efecto práctico más valioso como una herramienta altamente eficiente para cortar materiales sólidos a un costo mínimo.
Los generadores cuánticos ópticos también se utilizan ampliamente en métodos médicos en relación con la microcirugía ocular y la cosmetología. Por ejemplo, un láser universalLos llamados bisturís sin sangre se han convertido en un instrumento de la medicina, que permite no solo diseccionar, sino también conectar tejidos biológicos.
Conclusión
Hoy en día, hay varias direcciones prometedoras en el desarrollo de generadores de radiación óptica. Los más populares incluyen tecnología de síntesis capa por capa, modelado 3D, el concepto de combinación con robótica (seguidores láser), etc. En cada caso, se supone que los generadores cuánticos ópticos tendrán su propia aplicación especial, desde el procesamiento de superficies. de materiales y creación ultrarrápida de productos compuestos para la extinción de incendios mediante radiación.
Obviamente, las tareas más complejas requerirán aumentar el poder de la tecnología láser, como resultado de lo cual también aumentará el umbral de su peligrosidad. Si hoy en día la razón principal para garantizar la seguridad al trabajar con dicho equipo es su efecto nocivo en los ojos, entonces en el futuro podemos hablar sobre la protección especial de materiales y objetos cerca de los cuales se organiza el uso del equipo.
