Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
W swej istocie pompowanie laserowe to proces energetyzowania ośrodka w celu osiągnięcia stanu, w którym może emitować światło laserowe. Zazwyczaj odbywa się to poprzez wstrzykiwanie światła lub prądu elektrycznego do ośrodka, wzbudzanie jego atomów i emisję spójnego światła. Ten podstawowy proces znacznie 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 skomplikowane oddziaływania między fotonami a strukturą atomową lub molekularną ośrodka wzmocnienia. Zaawansowane modele uwzględniają zjawiska takie jak oscylacje Rabiego, które zapewniają bardziej zniuansowane 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 populacji, stanu, w którym więcej cząstek jest wzbudzanych niż w stanie o niższej energii, umożliwiając ośrodekowi wzmocnienie światła poprzez stymulowaną emisję. Proces ten obejmuje skomplikowane oddziaływania kwantowe, często modelowane za pomocą równań szybkości lub bardziej zaawansowanych ram mechaniki kwantowej. Kluczowe aspekty obejmują wybór źródła pompy (takiego jak diody laserowe lub lampy wyładowcze), geometrię pompy (pompowanie boczne lub końcowe) oraz optymalizację charakterystyki światła pompy (widmo, intensywność, jakość wiązki, polaryzacja) w celu dopasowania do konkretnych wymagań ośrodka wzmocnienia. Pompowanie laserowe jest fundamentalne w różnych typach laserów, w tym laserach półprzewodnikowych, półprzewodnikowych i gazowych, i jest niezbędne do wydajnej i efektywnej pracy lasera.
Rodzaje laserów pompowanych optycznie
1. Lasery ciała stałego z domieszkowanymi izolatorami
· Przegląd:Lasery te wykorzystują elektrycznie izolujące medium gospodarza i polegają na pompowaniu optycznym w celu pobudzenia jonów aktywnych laserowo. Typowym przykładem jest neodym w laserach YAG.
·Najnowsze badania:Badanie przeprowadzone przez A. Antipov i in. omawia laser bliskiej podczerwieni w stanie stałym do pompowania optycznego z wymianą spinu. Badania te podkreślają postęp w technologii laserów w stanie stałym, szczególnie w zakresie bliskiej podczerwieni, co jest kluczowe 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: Praca U. Kellera nad optycznymi grzebieniami częstotliwości z ultraszybkich laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych dostarcza wglądu w generowanie stabilnych grzebieni częstotliwości z pompowanych diodowo laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych. Ten postęp jest znaczący dla zastosowań w metrologii częstotliwości optycznej.
Dalsza lektura:Grzebienie częstotliwości optycznej z ultrakrótkich laserów półprzewodnikowych i półprzewodnikowych
3. Lasery gazowe
·Pompowanie optyczne w laserach gazowych: Niektóre rodzaje laserów gazowych, takie jak lasery alkaliczne, wykorzystują pompowanie optyczne. Lasery te są często używane w zastosowaniach wymagających spójnych źródeł światła o określonych właściwościach.
Źródła pompowania optycznego
Lampy wyładowcze: Powszechnie stosowane w laserach pompowanych lampami, lampy wyładowcze są używane ze względu na ich wysoką moc i szerokie spektrum. YA Mandryko i in. opracowali model mocy generacji wyładowania łukiem impulsowym w lampach ksenonowych pompujących optycznie ośrodki aktywne laserów półprzewodnikowych. 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 dostrajania.
Dalsza lektura:Co to jest dioda laserowa?
Lampy błyskowe:Lampy błyskowe to intensywne, szerokospektralne źródła światła, które są powszechnie stosowane do pompowania laserów ciała stałego, takich jak lasery rubinowe lub Nd:YAG. Zapewniają one intensywny wybuch światła, który pobudza ośrodek laserowy.
Lampy łukowe:Podobne do lamp błyskowych, ale zaprojektowane do pracy ciągłej, lampy łukowe oferują stałe źródło intensywnego światła. Są używane w zastosowaniach, w których wymagana jest ciągła praca lasera (CW).
Diody LED (diody elektroluminescencyjne): Chociaż nie są tak powszechne jak diody laserowe, diody LED mogą być używane do pompowania optycznego w niektórych zastosowaniach o niskim poborze mocy. Są korzystne ze względu na długą żywotność, niski koszt i dostępność w różnych długościach fal.
Światło słoneczne:W niektórych eksperymentalnych konfiguracjach skoncentrowane światło słoneczne było używane jako źródło pompujące dla laserów pompowanych energią słoneczną. Ta metoda wykorzystuje energię słoneczną, co czyni ją odnawialnym i ekonomicznym źródłem, chociaż jest mniej kontrolowana i mniej intensywna w porównaniu ze sztucznymi źródłami światła.
Diody laserowe sprzężone światłowodowo: Są to diody laserowe sprzężone z włóknami optycznymi, które dostarczają światło pompujące bardziej wydajnie do ośrodka laserowego. Ta metoda jest szczególnie przydatna w laserach światłowodowych i w sytuacjach, w których precyzyjne dostarczanie światła pompującego ma kluczowe znaczenie.
Inne lasery: Czasami jeden laser jest używany do pompowania innego. Na przykład laser Nd:YAG o podwojonej częstotliwości może być używany do pompowania lasera barwnikowego. Ta metoda jest często stosowana, gdy do procesu pompowania wymagane są określone długości fal, co nie jest łatwe do osiągnięcia przy użyciu konwencjonalnych źródeł światła.
Laser półprzewodnikowy pompowany diodą
Początkowe źródło energii:Proces rozpoczyna się od lasera diodowego, który służy jako źródło pompujące. Lasery diodowe są wybierane ze względu na ich wydajność, kompaktowy rozmiar i zdolność do emitowania 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.
Stan stałyŚredni zysk
Tworzywo:Ośrodek wzmocnienia w laserach DPSS jest zazwyczaj materiałem stałym, takim 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:Kiedy światło pompujące z lasera diodowego trafia do ośrodka wzmocnienia, jony ziem rzadkich pochłaniają tę energię i przechodzą w stany o wyższej energii.
Inwersja populacji
Osiągnięcie inwersji populacji:Kluczem do działania lasera jest osiągnięcie inwersji populacji 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
Lustra: Ośrodek wzmocnienia umieszczony jest wewnątrz rezonatora optycznego, który zazwyczaj tworzą dwa lustra na każdym końcu ośrodka.
Sprzężenie zwrotne i wzmocnienie: Jedno z luster jest silnie odblaskowe, a drugie częściowo odblaskowe. Fotony odbijają się tam i z powrotem między tymi lustrami, stymulując więcej emisji 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 wychodzącą z lasera DPSS.
Geometrie pompowania: pompowanie boczne i końcowe
| 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, gorsza jakość wiązki |
| Zakończ pompowanie | Światło pompowane skierowane wzdłuż tej samej osi co wiązka lasera | Lasery półprzewodnikowe, takie jak Nd:YAG | Jednolity rozkład wzmocnienia, wyższa jakość wiązki | Złożone ustawienie, mniej wydajne rozpraszanie ciepła w laserach dużej mocy |
Wymagania dotyczące skutecznego oświetlenia pompy
| Wymóg | Znaczenie | Wpływ/Równowaga | Dodatkowe uwagi |
|---|---|---|---|
| Zgodność 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 jest kluczowa 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 mieć wpływ na jakość i stabilność wyjścia lasera | Ważne dla zastosowań wymagających wysokiej stabilności i precyzji |
Czas publikacji: 01-12-2023