Hva er optisk pumping i laser?

Abonner på våre sosiale medier for raske innlegg

I bunn og grunn er laserpumping prosessen med å aktivere et medium for å oppnå en tilstand der det kan sende ut laserlys. Dette gjøres vanligvis ved å injisere lys eller elektrisk strøm inn i mediet, eksitere dets atomer og føre til utsendelse av koherent lys. Denne grunnleggende prosessen har utviklet seg betydelig siden de første laserne kom på midten av 1900-tallet.

Selv om laserpumping ofte modelleres av hastighetsligninger, er det fundamentalt sett en kvantemekanisk prosess. Det involverer intrikate interaksjoner mellom fotoner og den atomære eller molekylære strukturen til forsterkningsmediet. Avanserte modeller tar hensyn til fenomener som Rabi-oscillasjoner, som gir en mer nyansert forståelse av disse interaksjonene.

Laserpumping er en prosess der energi, vanligvis i form av lys eller elektrisk strøm, tilføres en lasers forsterkningsmedium for å heve atomene eller molekylene til høyere energitilstander. Denne energioverføringen er avgjørende for å oppnå populasjonsinversjon, en tilstand der flere partikler eksiteres enn i en lavere energitilstand, slik at mediet kan forsterke lys via stimulert emisjon. Prosessen involverer intrikate kvanteinteraksjoner, ofte modellert gjennom hastighetsligninger eller mer avanserte kvantemekaniske rammeverk. Viktige aspekter inkluderer valg av pumpekilde (som laserdioder eller utladningslamper), pumpegeometri (side- eller endepumping) og optimalisering av pumpelysegenskaper (spektrum, intensitet, strålekvalitet, polarisering) for å matche de spesifikke kravene til forsterkningsmediet. Laserpumping er grunnleggende i ulike lasertyper, inkludert faststoff-, halvleder- og gasslasere, og er avgjørende for laserens effektive drift.

Varianter av optisk pumpede lasere

 

1. Faststofflasere med dopede isolatorer

· Oversikt:Disse laserne bruker et elektrisk isolerende vertsmedium og er avhengige av optisk pumping for å aktivere laseraktive ioner. Et vanlig eksempel er neodym i YAG-lasere.

·Nyere forskning:En studie av A. Antipov et al. diskuterer en faststofflaser i nær-infrarødt for spinnutvekslingsoptisk pumping. Denne forskningen fremhever fremskrittene innen faststofflaserteknologi, spesielt i det nær-infrarøde spekteret, som er avgjørende for applikasjoner som medisinsk avbildning og telekommunikasjon.

Videre lesning:En faststofflaser nær-IR for optisk pumping med spinnutveksling

2. Halvlederlasere

·Generell informasjon: Halvlederlasere, som vanligvis er elektrisk pumpet, kan også dra nytte av optisk pumping, spesielt i applikasjoner som krever høy lysstyrke, for eksempel vertikale eksterne hulromsoverflateemitterende lasere (VECSEL-er).

·Nyere utvikling: U. Kellers arbeid med optiske frekvenskammer fra ultrahurtige faststoff- og halvlederlasere gir innsikt i genereringen av stabile frekvenskammer fra diodepumpede faststoff- og halvlederlasere. Denne fremskritten er viktig for anvendelser innen optisk frekvensmetrologi.

Videre lesning:Optiske frekvenskammer fra ultrahurtige faststoff- og halvlederlasere

3. Gasslasere

·Optisk pumping i gasslasere: Enkelte typer gasslasere, som alkalidamplasere, bruker optisk pumping. Disse laserne brukes ofte i applikasjoner som krever koherente lyskilder med spesifikke egenskaper.

 

 

Kilder for optisk pumping

UtladningslamperUtladningslamper er vanlige i lampepumpede lasere, og brukes på grunn av sin høye effekt og brede spektrum. YA Mandryko et al. utviklet en effektmodell for generering av impulsbueutladning i xenonlamper med aktivt medium i optisk pumping av faststofflasere. Denne modellen bidrar til å optimalisere ytelsen til impulspumpelamper, noe som er avgjørende for effektiv laserdrift.

Laserdioder:Laserdioder, som brukes i diodepumpede lasere, tilbyr fordeler som høy effektivitet, kompakt størrelse og muligheten til å finjusteres.

Videre lesning:hva er en laserdiode?

BlitslamperBlitzlamper er intense, bredspektrede lyskilder som ofte brukes til å pumpe faststofflasere, som rubin- eller Nd:YAG-lasere. De gir et høyintensivt lysutbrudd som eksiterer lasermediet.

BuelamperLigner på blitzlamper, men er designet for kontinuerlig drift, og tilbyr buelamper en stabil kilde til intenst lys. De brukes i applikasjoner der kontinuerlig bølgelaserdrift (CW) er nødvendig.

LED-er (lysemitterende dioder)Selv om de ikke er like vanlige som laserdioder, kan LED-er brukes til optisk pumping i visse lavstrømsapplikasjoner. De er fordelaktige på grunn av lang levetid, lave kostnader og tilgjengelighet i forskjellige bølgelengder.

SollysI noen eksperimentelle oppsett har konsentrert sollys blitt brukt som pumpekilde for solpumpede lasere. Denne metoden utnytter solenergi, noe som gjør den til en fornybar og kostnadseffektiv kilde, selv om den er mindre kontrollerbar og mindre intens sammenlignet med kunstige lyskilder.

Fiberkoblede laserdioderDette er laserdioder koblet til optiske fibre, som leverer pumpelyset mer effektivt til lasermediet. Denne metoden er spesielt nyttig i fiberlasere og i situasjoner der presis levering av pumpelys er avgjørende.

Andre lasereNoen ganger brukes én laser til å pumpe en annen. For eksempel kan en frekvensdoblet Nd:YAG-laser brukes til å pumpe en fargelaser. Denne metoden brukes ofte når spesifikke bølgelengder er nødvendige for pumpeprosessen som ikke lett kan oppnås med konvensjonelle lyskilder. 

 

Diodepumpet faststofflaser

Opprinnelig energikildeProsessen starter med en diodelaser, som fungerer som pumpekilde. Diodelasere velges for sin effektivitet, kompakte størrelse og evne til å sende ut lys ved bestemte bølgelengder.

Pumpelys:Diodelaseren sender ut lys som absorberes av faststoffforsterkningsmediet. Bølgelengden til diodelaseren er skreddersydd for å matche absorpsjonsegenskapene til forsterkningsmediet.

FaststoffMiddels forsterkning

Materiale:Forsterkningsmediet i DPSS-lasere er vanligvis et faststoffmateriale som Nd:YAG (neodymdopet yttriumaluminiumgranat), Nd:YVO4 (neodymdopet yttriumortovanadat) eller Yb:YAG (ytterbiumdopet yttriumaluminiumgranat).

Doping:Disse materialene er dopet med sjeldne jordartsmetaller (som Nd eller Yb), som er de aktive laserionene.

 

Energiabsorpsjon og eksitasjon:Når pumpelyset fra diodelaseren kommer inn i forsterkningsmediet, absorberer de sjeldne jordartsmetallionene denne energien og blir eksitert til høyere energitilstander.

Populasjonsinversjon

Oppnå populasjonsinversjon:Nøkkelen til laservirkning er å oppnå en populasjonsinversjon i forsterkningsmediet. Dette betyr at flere ioner er i en eksitert tilstand enn i grunntilstand.

Stimulert emisjon:Når populasjonsinversjon er oppnådd, kan introduksjonen av et foton som tilsvarer energiforskjellen mellom den eksiterte og grunntilstanden stimulere de eksiterte ionene til å gå tilbake til grunntilstanden, og sende ut et foton i prosessen.

 

Optisk resonator

Speil: Forsterkningsmediet er plassert inne i en optisk resonator, vanligvis dannet av to speil i hver ende av mediet.

Tilbakemelding og forsterkning: Det ene speilet er svært reflekterende, og det andre er delvis reflekterende. Fotoner spretter frem og tilbake mellom disse speilene, stimulerer mer utslipp og forsterker lyset.

 

Laseremisjon

Koherent lys: Fotonene som sendes ut er koherente, noe som betyr at de er i fase og har samme bølgelengde.

Utgang: Det delvis reflekterende speilet lar noe av dette lyset passere gjennom, og danner laserstrålen som kommer ut av DPSS-laseren.

 

Pumpegeometrier: Side- vs. endepumping

 

Pumpemetode Beskrivelse Bruksområder Fordeler Utfordringer
Sidepumping Pumpelys introdusert vinkelrett på lasermediet Stav- eller fiberlasere Jevn fordeling av pumpelys, egnet for høyeffektsapplikasjoner Ujevn forsterkningsfordeling, nedre strålekvalitet
Sluttpumping Pumpelys rettet langs samme akse som laserstrålen Faststofflasere som Nd:YAG Jevn forsterkningsfordeling, høyere strålekvalitet Kompleks justering, mindre effektiv varmespredning i høyeffektslasere

Krav til effektivt pumpelys

 

Behov Betydning Innvirkning/balanse Ytterligere merknader
Spektrumegnethet Bølgelengden må samsvare med absorpsjonsspekteret til lasermediet Sikrer effektiv absorpsjon og effektiv populasjonsinversjon -
Intensitet Må være høy nok for ønsket eksitasjonsnivå For høye intensiteter kan forårsake termisk skade; for lave vil ikke oppnå populasjonsinversjon -
Strålekvalitet Spesielt kritisk i endepumpede lasere Sikrer effektiv kobling og bidrar til kvaliteten på den utsendte laserstrålen Høystrålekvalitet er avgjørende for presis overlapping av pumpelys og lasermodusvolum
Polarisering Kreves for medier med anisotrope egenskaper Forbedrer absorpsjonseffektiviteten og kan påvirke polariseringen av utsendt laserlys Spesifikk polarisasjonstilstand kan være nødvendig
Intensitetsstøy Lavt støynivå er avgjørende Svingninger i pumpens lysintensitet kan påvirke laserens utgangskvalitet og stabilitet Viktig for applikasjoner som krever høy stabilitet og presisjon
Relatert laserapplikasjon
Relaterte produkter

Publisert: 01. des. 2023