Abonner på våre sosiale medier for raske innlegg
I sin essens er laserpumping prosessen med å gi energi til 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, spennende dets atomer og føre til utslipp av sammenhengende lys. Denne grunnleggende prosessen har utviklet seg betydelig siden ankomsten av de første laserne på midten av 1900-tallet.
Selv om laserpumping ofte er modellert av hastighetsligninger, er grunnleggende en kvantemekanisk prosess. Det involverer intrikate interaksjoner mellom fotoner og atom- eller molekylstrukturen til forsterkningsmediet. Avanserte modeller tar for seg fenomener som Rabi-oscillasjoner, som gir en mer nyansert forståelse av disse interaksjonene.
Laserpumping er en prosess der energi, typisk 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, noe som gjør at mediet kan forsterke lys via stimulert emisjon. Prosessen involverer intrikate kvanteinteraksjoner, ofte modellert gjennom hastighetsligninger eller mer avanserte kvantemekaniske rammer. Nøkkelaspekter inkluderer valg av pumpekilde (som laserdioder eller utladningslamper), pumpegeometri (side- eller endepumping), og optimalisering av pumpelyskarakteristikk (spektrum, intensitet, strålekvalitet, polarisering) for å matche de spesifikke kravene til få middels. Laserpumping er grunnleggende i ulike lasertyper, inkludert solid-state, halvleder- og gasslasere, og er avgjørende for laserens effektive og effektive drift.
Varianter av optisk pumpede lasere
1. Solid-state lasere med dopede isolatorer
· Oversikt:Disse laserne bruker et elektrisk isolerende vertsmedium og er avhengig av optisk pumping for å gi energi til laseraktive ioner. Et vanlig eksempel er neodym i YAG-lasere.
·Nylig forskning:En studie av A. Antipov et al. diskuterer en solid-state nær-IR-laser for spin-exchange optisk pumping. Denne forskningen fremhever fremskrittene innen solid-state laserteknologi, spesielt i det nær-infrarøde spekteret, som er avgjørende for applikasjoner som medisinsk bildebehandling og telekommunikasjon.
Videre lesning:En solid-state nær-IR-laser for spinn-utveksling optisk pumping
2. Halvlederlasere
·Generell informasjon: Vanligvis elektrisk pumpede, halvlederlasere kan også dra nytte av optisk pumping, spesielt i applikasjoner som krever høy lysstyrke, for eksempel Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs).
·Nylig utvikling: U. Kellers arbeid med optiske frekvenskammer fra ultraraske solid-state og halvlederlasere gir innsikt i generering av stabile frekvens kammer fra diodepumpede solid state og halvleder lasere. Denne fremgangen er betydelig for applikasjoner innen optisk frekvensmetrologi.
Videre lesning:Optiske frekvenskammer fra ultraraske solid-state og halvlederlasere
3. Gasslasere
·Optisk pumping i gasslasere: Visse typer gasslasere, som alkaliske damplasere, bruker optisk pumping. Disse laserne brukes ofte i applikasjoner som krever sammenhengende lyskilder med spesifikke egenskaper.
Kilder for optisk pumping
Utladningslamper: Vanlige i lampepumpede lasere, utladningslamper brukes for sin høye effekt og brede spektrum. YA Mandryko et al. utviklet en kraftmodell for generering av impulsbueutladning i aktive medier, optisk pumpende xenonlamper av solid-state lasere. Denne modellen bidrar til å optimere ytelsen til impulspumpelamper, avgjørende for effektiv laserdrift.
Laserdioder:Brukt i diodepumpede lasere, tilbyr laserdioder fordeler som høy effektivitet, kompakt størrelse og muligheten til å finjusteres.
Mer lesing:hva er en laserdiode?
Blitslamper: Blitslamper er intense, bredspektrede lyskilder som vanligvis brukes til å pumpe faststofflasere, for eksempel rubin- eller Nd:YAG-lasere. De gir et lysutbrudd med høy intensitet som begeistrer lasermediet.
Bue lamper: I likhet med blitslamper, men designet for kontinuerlig drift, tilbyr lysbuelamper en jevn kilde til intenst lys. De brukes i applikasjoner der kontinuerlig bølge (CW) laserdrift er nødvendig.
LED-er (lysemitterende dioder): Selv om det ikke er så vanlig som laserdioder, kan lysdioder brukes til optisk pumping i visse applikasjoner med lav effekt. De er fordelaktige på grunn av deres lange levetid, lave kostnader og tilgjengelighet i forskjellige bølgelengder.
Sollys: I noen eksperimentelle oppsett har konsentrert sollys blitt brukt som en 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 laserdioder: Dette 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 lasere: Noen ganger brukes en 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 det kreves spesifikke bølgelengder for pumpeprosessen som ikke lett kan oppnås med konvensjonelle lyskilder.
Diodepumpet solid-state laser
Opprinnelig energikilde: Prosessen starter med en diodelaser, som fungerer som pumpekilde. Diodelasere er valgt for deres effektivitet, kompakte størrelse og evne til å sende ut lys ved spesifikke bølgelengder.
Pumpelys:Diodelaseren sender ut lys som absorberes av solid-state forsterkningsmediet. Bølgelengden til diodelaseren er skreddersydd for å matche absorpsjonsegenskapene til forsterkningsmediet.
Solid StateFå middels
Materiale:Forsterkningsmediet i DPSS-lasere er typisk et solid-state materiale som Nd:YAG (neodym-dopet Yttrium Aluminium Granat), Nd:YVO4 (Neodym-dopet Yttrium Orthovanadate), eller Yb:YAG (Ytterbium-dopet Yttrium Aluminium Granat).
Doping:Disse materialene er dopet med sjeldne jordarters ioner (som Nd eller Yb), som er de aktive laserionene.
Energiabsorpsjon og eksitasjon:Når pumpelyset fra diodelaseren kommer inn i forsterkningsmediet, absorberer ionene av sjeldne jordarter denne energien og blir begeistret til høyere energitilstander.
Befolkningsinversjon
Oppnå populasjonsinversjon:Nøkkelen til laserhandling er å oppnå en populasjonsinversjon i forsterkningsmediet. Dette betyr at flere ioner er i eksitert tilstand enn i grunntilstanden.
Stimulert utslipp:Når populasjonsinversjon er oppnådd, kan introduksjonen av et foton som tilsvarer energiforskjellen mellom de eksiterte og grunntilstandene 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, typisk dannet av to speil i hver ende av mediet.
Tilbakemelding og forsterkning: Ett av speilene er svært reflekterende, og det andre er delvis reflekterende. Fotoner spretter frem og tilbake mellom disse speilene, stimulerer mer utslipp og forsterker lyset.
Laserutslipp
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 går ut av DPSS-laseren.
Pumping geometrier: Side vs. End Pumping
| Pumpemetode | Beskrivelse | Søknader | Fordeler | Utfordringer |
|---|---|---|---|---|
| Sidepumping | Pumpelys introdusert vinkelrett på lasermediet | Stang- eller fiberlasere | Ensartet fordeling av pumpelys, egnet for bruk med høy effekt | Ujevn forsterkningsfordeling, lavere strålekvalitet |
| Slutt med pumping | Pumpelys rettet langs samme akse som laserstrålen | Solid-state lasere som Nd:YAG | Ensartet forsterkningsfordeling, høyere strålekvalitet | Kompleks justering, mindre effektiv varmespredning i lasere med høy effekt |
Krav til effektivt pumpelys
| Behov | Betydning | Effekt/balanse | Ytterligere merknader |
|---|---|---|---|
| Spektrum egnethet | 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 lav vil ikke oppnå populasjonsinversjon | - |
| Strålekvalitet | Spesielt kritisk i endepumpede lasere | Sikrer effektiv kobling og bidrar til utsendt laserstrålekvalitet | Høy strålekvalitet er avgjørende for presis overlapping av pumpelys og lasermodusvolum |
| Polarisering | Nødvendig for medier med anisotrope egenskaper | Forbedrer absorpsjonseffektiviteten og kan påvirke utsendt laserlyspolarisering | Spesifikk polarisasjonstilstand kan være nødvendig |
| Intensitet Støy | Lavt støynivå er avgjørende | Svingninger i pumpens lysintensitet kan påvirke laserutgangskvaliteten og stabiliteten | Viktig for applikasjoner som krever høy stabilitet og presisjon |
Innleggstid: Des-01-2023