Laser

[Rysiu]

Przeglądałem strony o laserach i zastanawia mnie moc impulsu przy laserach impulsowych.

Mamy na przykład tutaj stronę:

http://www.myzlab.pl/hv/laser/

Opisany laser azotowy i zdanie:

Moc w impulsie dochodzi do 100kW, moc średnia poniżej 1mW.

Budowa lasera bardzo prosta. 1mW mocy średniej może i on ma skoro takie zabawki mają po 3mW.

Jakim sposobem mamy jednak w impulsie aż 100kW? Z tego co czytam laser azotowy ma bardzo niską sprawność (od około 0,1% do max 3%) jednak przy lepszych laserach w impulsie można uzyskać nawet grubo ponad GW.

[Szopler]

Pytanie z serii - "Jakim cudem głośnik wielkości pudełka po butach ma moc 1200W (PMPO)" ;)

[Rysiu]

Ale faktycznie taki laser w impulsie może mieć tak dużą moc?

[ryszard.korczyk]

Jeśli pracuje w impulsie 1ns, raz na sekundę. To łatwo wyliczyć, że moc w impulsie będzie 1 000 000 000 większa od średniej. Bardziej powinno się tu mówić o energii bo ta dla pracy przez 1ns nawet przy mocy 100kW jest znikoma, jak się nie pomyliłem w obliczeniach to 0,0001 [J], dla przykładu lampy błyskowe aparatów mają parę [J].

[Rysiu]

Jeśli pracuje w impulsie 1ns, raz na sekundę. To łatwo wyliczyć, że moc w impulsie będzie 1 000 000 000 większa od średniej.

Ale jak to jest, że laser pracując ciągle średnio potrafi wyemitować aż tyle fotonów mniej niż podczas pracy impulsowej w czasie rzędu ns?

Bardziej powinno się tu mówić o energii bo ta dla pracy przez 1ns nawet przy mocy 100kW jest znikoma, jak się nie pomyliłem w obliczeniach to 0,0001 [J], dla przykładu lampy błyskowe aparatów mają parę [J].

Tak tylko wiązka z takiego lasera jest jednak dość spójna w porównaniu do lampy błyskowej i ta energia rozpływa się na mniejszej powierzchni.

[ryszard.korczyk]

Ale jak to jest, że laser pracując ciągle średnio potrafi wyemitować aż tyle fotonów mniej niż podczas pracy impulsowej w czasie rzędu ns?
Tak tylko wiązka z takiego lasera jest jednak dość spójna w porównaniu do lampy błyskowej i ta energia rozpływa się na mniejszej powierzchni.

Jak się nie mylę, większość laserów pracuje impulsowo, impulsowo jest pobudzane medium lasera. Wiec raczej nie ma czegoś takiego jak laser o pracy ciągłej, nie mówię tu o diodach laserowych, to coś innego. Ważne jest też to, aby pobudzenie medium było wystarczająco mocne, inaczej nie dojedzie do emisji. Stąd bierze się to, że lasery lepiej pracują impulsowo, odpowiednio duża ilość pobudzeń może dać efekt pracy niemalże ciągłej, ale wiązie się to z nie lada problemem chłodzenia.
Nie dokońca rozumiem twoje pytanie, ale ilość fotonów dla danej długości fali jest proporcjonalna do energii wiązki. Błędne jest też zachwycanie się 100kW, definicja [W] mówi, że to energia w jednostce czasu, a że w tym wypadku energia względnie nieduża została wypromieniowana w miliardowych częściach sekundy powoduje tak kosmiczne wartości mocy. Ale jak do obliczeń mocy weżniemy też czas niepracowania między pobudzeniami to mamy znikome moce.
To tak jak gdybyśmy zapalali żarówkę 60W na sekundę co 60sekund. Średnio nasz układ będzie miał 1W mocy, ale w tej sekundzie, gdy świeci ma 60W. :)

[Rysiu]

To tak jak gdybyśmy zapalali żarówkę 60W na sekundę co 60sekund. Średnio nasz układ będzie miał 1W mocy, ale w tej sekundzie, gdy świeci ma 60W. :)

I o to właśnie mi chodzi. Nie potrzebuję pracy ciągłej. Taki impuls lasera chyba jest w zupełności wystarczający dla fotodiody (której czas reakcji ponoć może zejść poniżej 10 ns)?

[phobos]

Ale jak to jest, że laser pracując ciągle średnio potrafi wyemitować aż tyle fotonów mniej niż podczas pracy impulsowej w czasie rzędu ns?

Laser działa tak, że do ośrodka ze wzbudzonymi atomami, czyli atomami w których jeden z elektronów jest w wyższym stanie energetycznym niż stan podstawowy, wpuszczamy foton o energii równej energii wzbudzenia elektronu. Jak taki foton "trafi" na taki elektron to powoduje to emisję przez ten elektron drugiego fotonu, o identycznych parametrach, oraz przejście elektronu w stan podstawowy. Te kolejne 2 fotony, trafiając na kolejne elektrony, mogą robić to samo. W ten sposób z jednego fotonu dostajemy lawinę wyemitowanych praktycznie natychmiast kolejnych. Problem z ciągłym świeceniem jest taki, że elektrony które wyemitowały foton w ten właśnie sposób trzeba na nowo wzbudzić. Zwie się to pompowaniem. I tu dochodzimy do sedna.
Moc chwilowa może być tak duża, bo jesteśmy sobie w stanie napompować olbrzymią ilość atomów, i później pobudzić wszystkie na raz do chwilowej bardzo potężnej emisji, ale po takim krótkim "huraa" wszystkie elektrony są w stanie podstawowym i nie mamy na czym wymuszać kolejnych emisji. Musimy ponownie napompować ośrodek żeby móc znowu strzelać. Tak więc moc ciągła lasera jest faktycznie ograniczona tym jak szybko jesteśmy w stanie pompować ośrodek. Lampa błyskowa jest tu doskonałą analogią, najpierw "pompujemy" kondensator, a potem raz strzelamy zużywając całą zgromadzoną w nim energię.

[Rysiu]

Z laserem też jest problem z rozszczepieniem wiązki wraz z przebytą odległością. O ile na początku wiązka podczas padania skupia się w drobnym punkcie to już po kilku metrach widać, że kropka ta zaczyna nabierać rozmiarów.

Czytałem w jakiejś publikacji, że średnio dla laserów szerokość wiązki może się zwiększać o ok. 1 metr / kilometr. Problem jest też taki, że ciekawe ile procentowo energii będzie skupione w punkcie o danej powierzchni po przebyciu jakiejś drogi.

Niestety nie znalazłem konkretnych wzorów. Wiem, że dużo tutaj zależy od lasera, ale to już można jakąś specyfikację założyć.