Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
W swej istocie pompowanie laserowe to proces pobudzania ośrodka do osiągnięcia stanu, w którym może ono emitować światło laserowe. Zwykle dokonuje się tego poprzez wstrzyknięcie światła lub prądu elektrycznego do ośrodka, wzbudzając jego atomy i prowadząc do emisji spójnego światła. Ten podstawowy proces znacznie ewoluował od czasu pojawienia się pierwszych laserów w połowie XX wieku.
Pompowanie laserowe, choć często modelowane za pomocą równań szybkości, jest zasadniczo procesem mechaniki kwantowej. Obejmuje skomplikowane interakcje między fotonami a strukturą atomową lub molekularną ośrodka wzmacniającego. Zaawansowane modele uwzględniają zjawiska takie jak oscylacje Rabiego, które zapewniają bardziej szczegółowe zrozumienie tych interakcji.
Pompowanie laserowe to proces, w którym energia, zwykle w postaci światła lub prądu elektrycznego, jest dostarczana do ośrodka wzmacniającego lasera w celu podniesienia jego atomów lub cząsteczek do wyższych stanów energetycznych. Ten transfer energii ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia inwersji obsadzeń, stanu, w którym wzbudzonych jest więcej cząstek niż w stanie o niższej energii, umożliwiając ośrodkowi wzmocnienie światła poprzez emisję wymuszoną. Proces ten obejmuje skomplikowane interakcje kwantowe, często modelowane za pomocą równań szybkości lub bardziej zaawansowanych struktur 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 specyficznych wymagań zyskać średnio. Pompowanie laserowe ma zasadnicze znaczenie w przypadku różnych typów laserów, w tym laserów na ciele stałym, półprzewodnikowych i gazowych, i jest niezbędne dla wydajnego i skutecznego działania lasera.
Odmiany laserów pompowanych optycznie
1. Lasery na ciele stałym z izolatorami domieszkowanymi
· Przegląd:Lasery te wykorzystują elektrycznie izolujący ośrodek macierzysty i polegają na pompowaniu optycznym w celu pobudzenia jonów aktywnych laserowo. Typowym przykładem jest neodym w laserach YAG.
·Najnowsze badania:Badanie A. Antipova i in. omawia półprzewodnikowy laser bliskiej podczerwieni do optycznego pompowania z wymianą spinu. Badanie to podkreśla postęp w technologii laserów na ciele stałym, szczególnie w widmie bliskiej podczerwieni, które ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak obrazowanie medyczne i telekomunikacja.
Dalsza lektura:Półprzewodnikowy laser bliskiej podczerwieni do optycznego pompowania z wymianą spinu
2. Lasery półprzewodnikowe
·Informacje ogólne: Lasery półprzewodnikowe, zazwyczaj pompowane elektrycznie, mogą również czerpać korzyści z pompowania optycznego, szczególnie w zastosowaniach wymagających dużej jasności, takich jak lasery elektroluminescencyjne z zewnętrzną wnęką (VECSEL).
·Najnowsze osiągnięcia: Prace U. Kellera nad optycznymi grzebieniem częstotliwości ultraszybkich laserów na ciele stałym i półprzewodnikowym dostarczają wiedzy na temat wytwarzania stabilnych grzebieni częstotliwości z pompowanych diodą laserów na ciele stałym i półprzewodnikowym. Postęp ten jest znaczący w zastosowaniach w optycznej metrologii częstotliwości.
Dalsza lektura:Optyczne grzebienie częstotliwości z ultraszybkich laserów na ciele stałym i półprzewodnikowym
3. Lasery gazowe
·Pompowanie optyczne w laserach gazowych: Niektóre typy laserów gazowych, takie jak lasery na parach alkalicznych, wykorzystują pompowanie optyczne. Lasery te są często wykorzystywane w zastosowaniach wymagających źródeł światła spójnego o określonych właściwościach.
Źródła pompowania optycznego
Lampy wyładowcze: Powszechnie stosowane w laserach pompowanych lampami lampy wyładowcze są stosowane ze względu na ich dużą moc i szerokie spektrum. YA Mandryko i in. opracowali model mocy generacji wyładowań łukowych impulsowych w ośrodkach aktywnych optycznych pompujących lampach ksenonowych laserów na ciele stałym. Model ten pomaga zoptymalizować wydajność lamp pompujących impulsowo, kluczowych dla wydajnej pracy lasera.
Diody laserowe:Stosowane w laserach pompowanych diodami diody laserowe oferują takie zalety, jak wysoka wydajność, niewielkie rozmiary i możliwość precyzyjnego dostrojenia.
Dalsza lektura:co to jest dioda laserowa?
Lampy błyskowe: Lampy błyskowe to intensywne źródła światła o szerokim spektrum, powszechnie stosowane do pompowania laserów na ciele stałym, takich jak lasery rubinowe lub Nd:YAG. Zapewniają impuls światła o dużej intensywności, który pobudza ośrodek laserowy.
Lampy łukowe: Podobne do lamp błyskowych, ale zaprojektowane do pracy ciągłej, lampy łukowe zapewniają stałe źródło intensywnego światła. Są stosowane w zastosowaniach, w których wymagana jest praca lasera z falą ciągłą (CW).
Diody LED (diody elektroluminescencyjne): Chociaż diody LED nie są tak powszechne jak diody laserowe, można ich używać 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 słoneczne: W niektórych układach eksperymentalnych jako źródło pompy dla laserów zasilanych energią słoneczną wykorzystano skoncentrowane światło słoneczne. Metoda ta wykorzystuje energię słoneczną, co czyni ją odnawialnym i opłacalnym źródłem, chociaż jest mniej kontrolowana i mniej intensywna w porównaniu ze sztucznymi źródłami światła.
Diody laserowe ze sprzężeniem światłowodowym: Są to diody laserowe połączone ze światłowodami, które skuteczniej dostarczają światło pompy do ośrodka laserowego. Metoda ta jest szczególnie przydatna w laserach światłowodowych oraz w sytuacjach, gdzie kluczowa jest precyzja dostarczania światła pompy.
Inne lasery: Czasami jeden laser jest używany do pompowania drugiego. Na przykład laser Nd:YAG o podwojonej częstotliwości może zostać użyty do pompowania lasera barwnikowego. Metodę tę często stosuje się, gdy w procesie pompowania wymagane są określone długości fal, których nie można łatwo osiągnąć w przypadku konwencjonalnych źródeł światła.
Laser na ciele stałym pompowany diodą
Początkowe źródło energii: Proces rozpoczyna się od lasera diodowego, który służy jako źródło pompy. Lasery diodowe wybierane są ze względu na ich wydajność, niewielkie rozmiary i zdolność do emitowania światła o określonych długościach fal.
Światło pompy:Laser diodowy emituje światło, które jest pochłaniane przez półprzewodnikowy ośrodek wzmacniający. Długość fali lasera diodowego jest dostosowana do charakterystyki absorpcji ośrodka wzmacniającego.
PółprzewodnikowyZyskaj średni
Tworzywo:Medium wzmacniające w laserach DPSS to zazwyczaj materiał półprzewodnikowy, taki jak Nd:YAG (granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem), Nd:YVO4 (ortowanadan itru domieszkowany neodymem) lub Yb:YAG (granat itrowo-aluminiowy domieszkowany itrem).
Doping:Materiały te są domieszkowane jonami metali ziem rzadkich (takich jak Nd lub Yb), które są aktywnymi jonami lasera.
Absorpcja i wzbudzenie energii:Kiedy światło pompy z lasera diodowego dociera do ośrodka wzmacniającego, jony metali ziem rzadkich absorbują tę energię i zostają wzbudzone do wyższych stanów energetycznych.
Inwersja populacji
Osiągnięcie inwersji populacji:Kluczem do działania lasera jest osiągnięcie inwersji obsadzeń w ośrodku wzmacniającym. Oznacza to, że więcej jonów znajduje się w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym.
Stymulowana emisja:Po osiągnięciu inwersji obsadzeń wprowadzenie fotonu odpowiadającego różnicy energii między stanem wzbudzonym i podstawowym może pobudzić wzbudzone jony do powrotu do stanu podstawowego, emitując przy tym foton.
Rezonator optyczny
Zwierciadła: Ośrodek wzmacniający jest umieszczony wewnątrz rezonatora optycznego, zwykle utworzonego przez dwa zwierciadła 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 pomiędzy tymi zwierciadłami, stymulując większą emisję i wzmacniając światło.
Emisja lasera
Światło spójne: Emitowane fotony są spójne, co oznacza, że są w fazie i mają tę samą długość fali.
Wyjście: Częściowo odblaskowe lustro przepuszcza część tego światła, tworząc wiązkę laserową wychodzącą z lasera DPSS.
Geometrie pompowania: pompowanie boczne i końcowe
| Metoda pompowania | Opis | Aplikacje | Zalety | Wyzwania |
|---|---|---|---|---|
| Pompowanie boczne | Światło pompy wprowadzane jest prostopadle do ośrodka laserowego | Lasery prętowe lub światłowodowe | Równomierny rozkład światła pompy, odpowiedni do zastosowań o dużej mocy | Nierównomierny rozkład wzmocnienia, niższa jakość wiązki |
| Zakończ pompowanie | Światło pompy skierowane jest wzdłuż tej samej osi co wiązka lasera | Lasery na ciele stałym, takie jak Nd:YAG | Jednolity rozkład wzmocnienia, wyższa jakość wiązki | Złożone ustawienie, mniej wydajne odprowadzanie ciepła w laserach dużej mocy |
Wymagania dotyczące skutecznego światła pompy
| Wymóg | Znaczenie | Wpływ/równowaga | Dodatkowe uwagi |
|---|---|---|---|
| Przydatność widma | Długość fali musi odpowiadać widmu absorpcji ośrodka laserowego | Zapewnia efektywną absorpcję i efektywną inwersję populacji | - |
| Intensywność | Musi być wystarczająco wysoki, aby uzyskać pożądany poziom wzbudzenia | Zbyt wysokie intensywności mogą powodować uszkodzenia termiczne; zbyt niska nie spowoduje inwersji populacji | - |
| Jakość wiązki | Szczególnie istotne w laserach z pompą końcową | Zapewnia efektywne sprzęganie i wpływa na jakość emitowanej wiązki laserowej | Wysoka jakość wiązki ma kluczowe znaczenie dla dokładnego nakładania się światła pompy i głośności trybu lasera |
| Polaryzacja | Wymagane w przypadku mediów o właściwościach anizotropowych | Zwiększa efektywność absorpcji i może wpływać na polaryzację emitowanego światła laserowego | Może być konieczny określony stan polaryzacji |
| Natężenie hałasu | Niski poziom hałasu jest kluczowy | Wahania natężenia światła pompy mogą mieć wpływ na jakość i stabilność wyjścia lasera | Ważne w zastosowaniach wymagających dużej stabilności i precyzji |
Czas publikacji: 01 grudnia 2023 r