Hva er optisk pumping i laser?

Abonner på våre sosiale medier for raskt innlegg

På essensen er laserpumping prosessen med å gi et medium for å oppnå en tilstand der det kan avgi laserlys. Dette gjøres vanligvis ved å injisere lys eller elektrisk strøm 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.

Mens de ofte er modellert av hastighetslikninger, er laserpumping fundamentalt en kvantemekanisk prosess. Det innebærer intrikate interaksjoner mellom fotoner og den atomiske eller molekylære strukturen til forsterkningsmediet. Avanserte modeller vurderer fenomener som Rabi -svingninger, 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 gevinstmedium for å heve atomene eller molekyler til høyere energiletilstander. Denne energioverføringen er avgjørende for å oppnå populasjonsinversjon, en tilstand der flere partikler er begeistret enn i en lavere energitilstand, slik at mediet kan forsterke lys via stimulert utslipp. Prosessen involverer intrikate kvanteinteraksjoner, ofte modellert gjennom hastighetsligninger eller mer avanserte kvantemekaniske rammer. Viktige aspekter inkluderer valg av pumpekilde (som laserdioder eller utløpslamper), pumpegeometri (side eller endepumping), og optimalisering av pumpelysegenskaper (spektrum, intensitet, strålekvalitet, polarisering) for å samsvare med de spesifikke kravene til gevinstmediet. Laserpumping er grunnleggende i forskjellige lasertyper, inkludert faststoff-, halvleder- og gasslasere, og er avgjørende for laserens effektive og effektive drift.

Varianter av optisk pumpet lasere

 

1. Solid-state lasere med dopede isolatorer

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

·Nyere forskning:En studie av A. Antipov et al. Diskuterer en solid-state nær-IR-laser for spin-bytter optisk pumping. Denne forskningen fremhever fremskrittene innen laserteknologi for solid-state, spesielt i det nær-infrarøde spekteret, noe som er avgjørende for applikasjoner som medisinsk avbildning og telekommunikasjon.

Videre lesing:En solid-state nær-IR-laser for spin-byttedyr optisk pumping

2. halvlederlasere

·Generell informasjon: Typisk elektrisk pumpet, halvlederlasere kan også dra nytte av optisk pumping, spesielt i applikasjoner som krever høy lysstyrke, for eksempel vertikale eksterne hulromsoverflate -emitterende lasere (vecsels).

·Nyere utvikling: U. Kellers arbeid med optiske frekvenskam fra ultrahastige faststoff- og halvlederlasere gir innsikt i generering av stabile frekvenskam fra diodepumpede faststoff- og halvlederlasere. Denne utviklingen er viktig for applikasjoner innen optisk frekvensmetrologi.

Videre lesing:Optiske frekvenskam fra ultrahast solid-state og halvlederlasere

3. Gasslasere

·Optisk pumping i gasslasere: Visse typer gasslasere, som alkali -damplasere, bruker optisk pumping. Disse laserne brukes ofte i applikasjoner som krever sammenhengende lyskilder med spesifikke egenskaper.

 

 

Kilder for optisk pumping

Utslippslamper: Vanlig i lampedumpede lasere, brukes utslippslamper for sin høye kraft og bredt spekter. Ya Mandryko et al. utviklet en kraftmodell av generering av impulsbueutladning i aktive medier optiske pumpende xenonlamper av solid-state lasere. Denne modellen hjelper til med å optimalisere ytelsen til impulspumpelamper, avgjørende for effektiv laserdrift.

Laserdioder:Brukt i diodepumpede lasere, tilbyr laserdioder fordeler som høy effektivitet, kompakt størrelse og muligheten til å bli finjustert.

Videre lesing:Hva er en laserdiode?

Flashlamper: Flashlamper er intense, bredspektret lyskilder som ofte brukes til å pumpe faststofflasere, for eksempel Ruby eller ND: YAG-lasere. De gir et lys med høy intensitet som begeistrer lasermediet.

Arc -lamper: I likhet med flashlamper, men designet for kontinuerlig drift, tilbyr buelamper en jevn kilde til intenst lys. De brukes i applikasjoner der det kreves kontinuerlig bølge (CW) laserdrift.

Lysdioder (lysemitterende dioder): Selv om det ikke er så vanlig som laserdioder, kan lysdioder brukes til optisk pumping i visse lav effekt-applikasjoner. 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 pumpekilde for solcellepumpede 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 frekvens-doblet ND: YAG-laser brukes til å pumpe en fargestofflaser. Denne metoden brukes ofte når det er nødvendig med spesifikke bølgelengder for pumpeprosessen som ikke lett oppnås med konvensjonelle lyskilder. 

 

Diode-pumped solid-state laser

Opprinnelig energikilde: Prosessen starter med en diodelaser, som fungerer som pumpekilden. Diodelasere er valgt for sin effektivitet, kompakte størrelse og evne til å avgi lys ved spesifikke bølgelengder.

Pumpelys:Diodelaseren avgir lys som blir absorbert av faststoffforsterkningsmediet. Bølgelengden til diodelaseren er skreddersydd for å matche absorpsjonsegenskapene til forsterkningsmediet.

Solid-stateFå medium

Materiale:Gevinstmediet i DPSS-lasere er typisk et solid-state-materiale som ND: YAG (neodymium-dopet yttrium aluminiums granat), ND: YVO4 (neodymium-dopet yttrium ortovanadat), eller YB: YAG (YTTERBIUM-dopet Yttrium alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin alumin-dopet ydett-dopet Yttrium alumin alumin alumin-doped YtTrium Alumin Alumin Alumin.

Doping:Disse materialene er dopet med sjeldne jord-ioner (som ND eller YB), som er de aktive laserionene.

 

Energiabsorpsjon og eksitasjon:Når pumpelyset fra diode-laseren kommer inn i forsterkningsmediet, absorberer de sjeldne jord-ionene denne energien og blir begeistret for høyere energitilstander.

Befolkningsinversjon

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

Stimulert utslipp:Når populasjonsinversjon er oppnådd, kan introduksjonen av et foton som tilsvarer energiforskjellen mellom eksiterte og bakketilstander stimulere de eksiterte ionene til å vende tilbake til grunntilstanden, og avgir et foton i prosessen.

 

Optisk resonator

Speil: Gevinstmediet plasseres inne i en optisk resonator, vanligvis dannet av to speil i hver ende av mediet.

Tilbakemelding og forsterkning: En av speilene er svært reflekterende, og det andre er delvis reflekterende. Fotoner spretter frem og tilbake mellom disse speilene, stimulerer flere utslipp og forsterker lyset.

 

Laserutslipp

Koherent lys: Fotonene som sendes ut er sammenhengende, 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 Geometries: Side vs. End Pumping

 

Pumpemetode Beskrivelse Applikasjoner Fordeler Utfordringer
Sidepumping Pumpelys introdusert vinkelrett på lasermediet Stang- eller fiberlasere Ensartet fordeling av pumpelys, egnet for høyeffektsapplikasjoner Ikke-ensartet forsterkningsfordeling, lavere strålekvalitet
Slutt pumping Pumpelys rettet langs samme akse som laserstrålen Solid-state lasere som ND: YAG Ensartet forsterkningsfordeling, høyere strålekvalitet Kompleks justering, mindre effektiv varmeavledning i høyeffektlasere

Krav til effektivt pumpelys

 

Behov Betydning Effekt/balanse Ytterligere merknader
Spektrum egnethet Bølgelengde 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 sluttpumpede lasere Sikrer effektiv kobling og bidrar til utsendt laserstrålekvalitet Høy strålekvalitet er avgjørende for presis overlapping av pumpelys og lasermodusvolum
Polarisering Kreves for media med anisotropiske egenskaper Forbedrer absorpsjonseffektiviteten og kan påvirke utsendt laserlyspolarisering Spesifikk polarisasjonstilstand kan være nødvendig
Intensitetsstøy Lavt støynivå er avgjørende Svingninger i pumpens lysintensitet kan påvirke laserutgangskvaliteten og stabiliteten Viktig for applikasjoner som krever høy stabilitet og presisjon
Relatert laserapplikasjon
Relaterte produkter

Post Time: DEC-01-2023