Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
W swojej istocie, pompowanie laserowe to proces pobudzania ośrodka do stanu, w którym może on emitować światło laserowe. Zazwyczaj odbywa się to poprzez wstrzyknięcie światła lub prądu elektrycznego do ośrodka, wzbudzając jego atomy i prowadząc do emisji światła spójnego. Ten fundamentalny proces znacząco ewoluował od czasu pojawienia się pierwszych laserów w połowie XX wieku.
Choć często modelowane za pomocą równań szybkości, pompowanie laserowe jest zasadniczo procesem mechaniki kwantowej. Obejmuje ono złożone oddziaływania między fotonami a strukturą atomową lub molekularną ośrodka wzmocnienia. Zaawansowane modele uwzględniają zjawiska takie jak oscylacje Rabiego, które pozwalają na głębsze zrozumienie tych oddziaływań.
Pompowanie laserowe to proces, w którym energia, zazwyczaj w postaci światła lub prądu elektrycznego, jest dostarczana do ośrodka wzmocnienia lasera w celu podniesienia jego atomów lub cząsteczek do wyższych stanów energetycznych. Ten transfer energii jest kluczowy dla osiągnięcia inwersji obsadzeń, stanu, w którym wzbudzonych jest więcej cząstek niż w stanie o niższej energii, co umożliwia ośrodekowi wzmocnienie światła poprzez emisję wymuszoną. Proces ten obejmuje złożone oddziaływania kwantowe, często modelowane za pomocą równań szybkości lub bardziej zaawansowanych ram mechaniki kwantowej. Kluczowe aspekty obejmują wybór źródła pompowania (takiego jak diody laserowe lub lampy wyładowcze), geometrię pompy (pompowanie boczne lub końcowe) oraz optymalizację charakterystyki światła pompującego (widma, natężenia, jakości wiązki, polaryzacji) w celu dopasowania do specyficznych wymagań ośrodka wzmocnienia. Pompowanie laserowe ma fundamentalne znaczenie w różnych typach laserów, w tym laserach ciała stałego, półprzewodnikowych i gazowych, i jest niezbędne do wydajnego i efektywnego działania lasera.
Rodzaje laserów pompowanych optycznie
1. Lasery półprzewodnikowe z domieszkowanymi izolatorami
· Przegląd:Lasery te wykorzystują elektrycznie izolujące medium bazowe i wykorzystują pompowanie optyczne do pobudzania jonów laserowo aktywnych. Typowym przykładem jest neodym w laserach YAG.
·Najnowsze badania:W badaniu A. Antipova i in. omówiono laser bliskiej podczerwieni na ciele stałym do pompowania optycznego z wymianą spinu. Badania te podkreślają postęp w technologii laserów na ciele stałym, szczególnie w zakresie bliskiej podczerwieni, który ma kluczowe znaczenie dla zastosowań takich jak obrazowanie medyczne i telekomunikacja.
Dalsza lektura:Laser bliskiej podczerwieni w stanie stałym do pompowania optycznego z wymianą spinu
2. Lasery półprzewodnikowe
·Informacje ogólne: Lasery półprzewodnikowe, zazwyczaj pompowane elektrycznie, mogą również korzystać z pompowania optycznego, zwłaszcza w zastosowaniach wymagających dużej jasności, takich jak lasery VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser).
·Najnowsze osiągnięcia: Prace U. Kellera nad optycznymi grzebieniami częstotliwości z ultraszybkich laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych dostarczają wiedzy na temat generowania stabilnych grzebieni częstotliwości z laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych pompowanych diodami. Ten postęp ma istotne znaczenie dla zastosowań w metrologii częstotliwości optycznych.
Dalsza lektura:Grzebienie częstotliwości optycznej z ultraszybkich laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych
3. Lasery gazowe
·Pompowanie optyczne w laserach gazowych: Niektóre rodzaje laserów gazowych, takie jak lasery na parach alkalicznych, wykorzystują pompowanie optyczne. Lasery te są często wykorzystywane w zastosowaniach wymagających spójnych źródeł światła o określonych właściwościach.
Źródła pompowania optycznego
Lampy wyładowcze: Lampy wyładowcze, powszechnie stosowane w laserach pompowanych lampami, są stosowane ze względu na ich wysoką moc i szerokie widmo. YA Mandryko i in. opracowali model mocy generowania wyładowania łukiem impulsowym w lampach ksenonowych z aktywnym ośrodkiem optycznym, pompujących lasery na ciele stałym. Model ten pomaga zoptymalizować wydajność lamp pompujących impulsowo, co jest kluczowe dla wydajnej pracy lasera.
Diody laserowe:Diody laserowe stosowane w laserach pompowanych diodowo charakteryzują się takimi zaletami jak wysoka wydajność, kompaktowe rozmiary i możliwość precyzyjnego dostrojenia.
Dalsza lektura:co to jest dioda laserowa?
Lampy błyskoweLampy błyskowe to intensywne źródła światła o szerokim spektrum, powszechnie stosowane do pompowania laserów na ciele stałym, takich jak lasery rubinowe lub Nd:YAG. Zapewniają one impuls światła o wysokiej intensywności, który wzbudza ośrodek laserowy.
Lampy łukowe:Podobne do lamp błyskowych, ale zaprojektowane do pracy ciągłej, lampy łukowe oferują stabilne źródło intensywnego światła. Są stosowane w zastosowaniach, w których wymagana jest praca lasera o fali ciągłej (CW).
Diody LED (diody elektroluminescencyjne)Chociaż diody LED nie są tak powszechne jak diody laserowe, mogą być wykorzystywane do pompowania optycznego w niektórych zastosowaniach o niskim poborze mocy. Są one korzystne ze względu na długą żywotność, niski koszt i dostępność w różnych długościach fal.
Światło słoneczneW niektórych układach eksperymentalnych skoncentrowane światło słoneczne było wykorzystywane jako źródło pompujące dla laserów zasilanych energią słoneczną. Ta metoda wykorzystuje energię słoneczną, czyniąc ją odnawialnym i ekonomicznym źródłem, choć jest mniej kontrolowana i mniej intensywna w porównaniu ze sztucznymi źródłami światła.
Diody laserowe sprzężone światłowodowo:Są to diody laserowe sprzężone ze światłowodami, które wydajniej dostarczają światło pompujące do ośrodka laserowego. Ta metoda jest szczególnie przydatna w laserach światłowodowych oraz w sytuacjach, w których precyzyjne dostarczanie światła pompującego ma kluczowe znaczenie.
Inne lasery:Czasami jeden laser jest używany do pompowania drugiego. Na przykład laser Nd:YAG o podwojonej częstotliwości może być użyty do pompowania lasera barwnikowego. Ta metoda jest często stosowana, gdy do procesu pompowania wymagane są określone długości fal, co nie jest łatwe do osiągnięcia za pomocą konwencjonalnych źródeł światła.
Laser półprzewodnikowy pompowany diodą
Początkowe źródło energiiProces rozpoczyna się od lasera diodowego, który służy jako źródło pompujące. Lasery diodowe są wybierane ze względu na ich wydajność, kompaktowe rozmiary i zdolność do emisji światła o określonych długościach fal.
Światło pompy:Laser diodowy emituje światło, które jest absorbowane przez stałe medium wzmacniające. Długość fali lasera diodowego jest dostosowana do charakterystyki absorpcji medium wzmacniającego.
PółprzewodnikowyŚredni zysk
Tworzywo:Ośrodek wzmocnienia w laserach DPSS to zazwyczaj materiał stały, taki jak Nd:YAG (granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem), Nd:YVO4 (ortowanadan itrowy domieszkowany neodymem) lub Yb:YAG (granat itrowo-glinowy domieszkowany iterbem).
Doping:Materiały te są domieszkowane jonami pierwiastków ziem rzadkich (takich jak Nd lub Yb), które są aktywnymi jonami laserowymi.
Absorpcja i wzbudzenie energii:Gdy światło pompujące z lasera diodowego trafia do ośrodka wzmocnienia, jony pierwiastków ziem rzadkich pochłaniają tę energię i przechodzą w stany o wyższej energii.
Inwersja populacji
Osiągnięcie inwersji populacji:Kluczem do działania lasera jest uzyskanie inwersji obsadzeń w ośrodku wzmocnienia. Oznacza to, że więcej jonów znajduje się w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym.
Emisja wymuszona:Po osiągnięciu inwersji obsadzeń wprowadzenie fotonu odpowiadającego różnicy energii między stanem wzbudzonym a stanem podstawowym może pobudzić jony wzbudzone do powrotu do stanu podstawowego, emitując w tym procesie foton.
Rezonator optyczny
Zwierciadła: Ośrodek wzmocnienia umieszczony jest wewnątrz rezonatora optycznego, który zwykle tworzą dwa zwierciadła na każdym końcu ośrodka.
Sprzężenie zwrotne i wzmocnienie: Jedno z luster jest silnie odblaskowe, a drugie częściowo. Fotony odbijają się tam i z powrotem między tymi lustrami, stymulując większą emisję i wzmacniając światło.
Emisja laserowa
Światło spójne: Emitowane fotony są spójne, co oznacza, że są w fazie i mają tę samą długość fali.
Wyjście: Częściowo odblaskowe lustro przepuszcza część światła, tworząc wiązkę laserową, która wychodzi z lasera DPSS.
Geometrie pompowania: pompowanie boczne i czołowe
| Metoda pompowania | Opis | Aplikacje | Zalety | Wyzwania |
|---|---|---|---|---|
| Pompowanie boczne | Światło pompujące wprowadzane prostopadle do ośrodka laserowego | Lasery prętowe lub światłowodowe | Równomierny rozkład światła pompy, odpowiedni do zastosowań o dużej mocy | Nierównomierny rozkład wzmocnienia, niższa jakość wiązki |
| Pompowanie końcowe | Światło pompujące skierowane wzdłuż tej samej osi co wiązka lasera | Lasery półprzewodnikowe, takie jak Nd:YAG | Jednolity rozkład wzmocnienia, wyższa jakość wiązki | Złożone ustawienie, mniej efektywne rozpraszanie ciepła w laserach dużej mocy |
Wymagania dotyczące efektywnego oświetlenia pompy
| Wymóg | Znaczenie | Wpływ/Równowaga | Dodatkowe uwagi |
|---|---|---|---|
| Zdatność widma | Długość fali musi odpowiadać widmu absorpcyjnemu ośrodka laserowego | Zapewnia skuteczną absorpcję i skuteczną inwersję populacji | - |
| Intensywność | Musi być wystarczająco wysoki, aby uzyskać pożądany poziom pobudzenia | Zbyt wysokie natężenie może spowodować uszkodzenia termiczne, zbyt niskie nie spowoduje inwersji populacji | - |
| Jakość wiązki | Szczególnie krytyczne w przypadku laserów pompowanych końcowo | Zapewnia wydajne sprzężenie i przyczynia się do jakości emitowanej wiązki laserowej | Wysoka jakość wiązki ma kluczowe znaczenie dla precyzyjnego nakładania się światła pompy i objętości trybu laserowego |
| Polaryzacja | Wymagane dla mediów o właściwościach anizotropowych | Zwiększa wydajność absorpcji i może wpływać na polaryzację emitowanego światła laserowego | Może być konieczny określony stan polaryzacji |
| Intensywność hałasu | Niski poziom hałasu ma kluczowe znaczenie | Wahania natężenia światła pompy mogą wpływać na jakość i stabilność wyjścia lasera | Ważne dla zastosowań wymagających dużej stabilności i precyzji |
Czas publikacji: 01-12-2023