Prenumerera på våra sociala medier för snabb post
At its essence, laser pumping is the process of energizing a medium to achieve a state where it can emit laser light. Detta görs vanligtvis genom att injicera ljus eller elektrisk ström i mediet, spännande dess atomer och leda till utsläpp av sammanhängande ljus. This foundational process has evolved significantly since the advent of the first lasers in the mid-20th century.
While often modeled by rate equations, laser pumping is fundamentally a quantum mechanical process. Det involverar intrikata interaktioner mellan fotoner och atom- eller molekylstrukturen hos förstärkningsmediet. Advanced models consider phenomena like Rabi oscillations, which provide a more nuanced understanding of these interactions.
Laserpumpning är en process där energi, vanligtvis i form av ljus eller elektrisk ström, levereras till en lasers förstärkningsmedium för att höja sina atomer eller molekyler till högre energitillstånd. Denna energiöverföring är avgörande för att uppnå befolkningsinversion, ett tillstånd där fler partiklar är upphetsade än i ett lägre energitillstånd, vilket gör det möjligt för mediet att förstärka ljuset via stimulerad emission. The process involves intricate quantum interactions, often modeled through rate equations or more advanced quantum mechanical frameworks. Viktiga aspekter inkluderar valet av pumpkälla (som laserdioder eller urladdningslampor), pumpgeometri (sido- eller slutpumpning) och optimering av pumpljusegenskaper (spektrum, intensitet, strålkvalitet, polarisering) för att matcha de specifika kraven för förstärkningsmediet. Laserpumpning är grundläggande i olika lasertyper, inklusive fast tillstånd, halvledare och gaslasrar, och är avgörande för lasers effektiva och effektiva operation.
Varianter av optiskt pumpade lasrar
1. Lasrar med fast tillstånd med dopade isolatorer
· Översikt:
·A study by A. Antipov et al. discusses a solid-state near-IR laser for spin-exchange optical pumping. Denna forskning belyser framstegen inom solid-state laserteknologi, särskilt inom det nästan infraröda spektrumet, vilket är avgörande för applikationer som medicinsk avbildning och telekommunikation.
·Allmän information: Vanligtvis elektriskt pumpad, halvledarlasrar kan också dra nytta av optisk pumpning, särskilt i applikationer som kräver hög ljusstyrka, såsom vertikal yttre kavitetsytemisslasrar (VECSEL).
·Den senaste utvecklingen: U. Kellers arbete med optiska frekvenskammar från ultrasnabb fasta tillstånd och halvledarlasrar ger insikter om generering av stabila frekvenskammar från diodpumpade fast tillstånd och halvledarlasrar. This advancement is significant for applications in optical frequency metrology.
·
: Flashlampor är intensiva, bredspektrumljuskällor som vanligtvis används för att pumpa fast tillståndslasrar, såsom rubin eller ND: YAG-lasrar. De ger en högintensiv ljusbrist som lockar lasermediet.
: Similar to flash lamps but designed for continuous operation, arc lamps offer a steady source of intense light. De används i applikationer där kontinuerlig våg (CW) laserdrift krävs.
: Även om det inte är lika vanligt som laserdioder, kan lysdioder användas för optisk pumpning i vissa låga effektapplikationer. De är fördelaktiga på grund av deras långa livslängd, låga kostnader och tillgänglighet i olika våglängder.
Solljus: I vissa experimentella inställningar har koncentrerat solljus använts som en pumpkälla för solpumpade lasrar. Denna metod utnyttjar solenergi, vilket gör den till en förnybar och kostnadseffektiv källa, även om den är mindre kontrollerbar och mindre intensiv jämfört med konstgjorda ljuskällor.
: Dessa är laserdioder kopplade till optiska fibrer, som levererar pumpens ljus mer effektivt till lasermediet. Denna metod är särskilt användbar i fiberlasrar och i situationer där exakt leverans av pumpljus är avgörande.
Andra lasrar: Ibland används en laser för att pumpa en annan. Till exempel kan en frekvens-doubled ND: YAG-laser användas för att pumpa en färgningslaser. Denna metod används ofta när specifika våglängder krävs för pumpprocessen som inte lätt uppnås med konventionella ljuskällor.
Initial energikälla: Processen börjar med en diodlaser, som fungerar som pumpkällan. Diodlasrar väljs för sin effektivitet, kompakt storlek och förmåga att avge ljus vid specifika våglängder.
Pumpljus:Diodlaseren avger ljus som absorberas av det fasta tillståndets förstärkningsmedium. Våglängden för diodlaseren är skräddarsydd för att matcha absorptionsegenskaperna för förstärkningsmediet.
Fast statFå medium
Material:Förstärkningsmediet i DPSS-lasrar är vanligtvis ett fast tillståndsmaterial som ND: YAG (Neodymium-dopat Yttrium aluminum granat), Nd: Yvo4 (Neodymium-doped yttrium ortovanadat) eller YB: YAG (Ytterbium-doped yttrium aluminuminume).
Doping:Dessa material är dopade med sällsynta jordjoner (som ND eller YB), som är de aktiva laserjonerna.
Energiabsorption och excitation:När pumpljuset från diodlaseren kommer in i förstärkningsmediet absorberar de sällsynta jordjonerna denna energi och blir upphetsad till högre energitillstånd.
Befolkningsinversion
Att uppnå befolkningsinversion:Nyckeln till laseråtgärder är att uppnå en befolkningsinversion i förstärkningsmediet. Detta innebär att fler joner är i ett upphetsat tillstånd än i marktillståndet.
Stimulerat utsläpp:När befolkningsinversionen har uppnåtts kan införandet av en foton som motsvarar energiskillnaden mellan de upphetsade och markstaterna stimulera de upphetsade jonerna att återgå till marktillståndet och avge en foton i processen.
Optisk resonator
Speglar: Förstärkningsmediet placeras i en optisk resonator, vanligtvis bildad av två speglar i varje ände av mediet.
Feedback och amplifiering: En av speglarna är mycket reflekterande, och den andra är delvis reflekterande. Fotoner studsar fram och tillbaka mellan dessa speglar, stimulerar fler utsläpp och förstärker ljuset.
Laserutsläpp
Koherent ljus: Fotonerna som släpps ut är sammanhängande, vilket innebär att de är i fas och har samma våglängd.
Utgång: Den delvis reflekterande spegeln tillåter en del av detta ljus att passera genom och bilda laserstrålen som lämnar DPSS -lasern.
Pumpningsgeometrier: Sidan kontra slutpumpning
| Pumpmetod | Beskrivning | Ansökningar | Fördelar | Utmaningar |
|---|---|---|---|---|
| Sidopumpning | Pumpljus introducerad vinkelrätt mot lasermediet | Stav- eller fiberlasrar | Enhetlig distribution av pumpljus, lämplig för högeffektapplikationer | Icke-enhetlig förstärkningsfördelning, lägre strålkvalitet |
| Pumpning | Pumpljus riktad längs samma axel som laserstrålen | Lasrar med fast tillstånd som ND: YAG | Enhetlig förstärkningsfördelning, högre strålkvalitet | Komplex inriktning, mindre effektiv värmeavledning hos högeffektiva lasrar |
Krav på effektivt pumpljus
| Krav | Betydelse | Påverkan/balans | Ytterligare anteckningar |
|---|---|---|---|
| Spektrum lämplighet | Våglängden måste matcha absorptionsspektrumet för lasermediet | Säkerställer effektiv absorption och effektiv befolkningsinversion | - |
| Intensitet | Måste vara tillräckligt hög för önskad excitationsnivå | Alltför höga intensiteter kan orsaka termisk skada; För lågt kommer inte att uppnå befolkningsinversion | - |
| Strålkvalitet | Särskilt kritiskt i slutpumpade lasrar | Säkerställer effektiv koppling och bidrar till utsänd laserstrålkvalitet | Högbalkkvalitet är avgörande för exakt överlappning av pumpljus och laserläge volym |
| Polarisering | Krävs för media med anisotropa egenskaper | Förbättrar absorptionseffektiviteten och kan påverka utsänd laserljuspolarisering | Specifikt polarisationstillstånd kan vara nödvändigt |
| Intensitetsljud | Låga ljudnivåer är avgörande | Fluktuationer i pumpljusintensitet kan påverka laserutgångskvalitet och stabilitet | Viktigt för applikationer som kräver hög stabilitet och precision |
Posttid: dec-01-2023