Prenumerera på våra sociala medier för snabba inlägg
I grund och botten är laserpumpning processen att aktivera ett medium för att uppnå ett tillstånd där det kan avge laserljus. Detta görs vanligtvis genom att injicera ljus eller elektrisk ström i mediet, vilket exciterar dess atomer och leder till utsändning av koherent ljus. Denna grundläggande process har utvecklats avsevärt sedan de första lasrarnas tillkomst i mitten av 1900-talet.
Även om laserpumpning ofta modelleras med hjälp av hastighetsekvationer, är det i grunden en kvantmekanisk process. Den involverar invecklade interaktioner mellan fotoner och förstärkningsmediets atom- eller molekylstruktur. Avancerade modeller tar hänsyn till fenomen som Rabi-oscillationer, vilket ger en mer nyanserad förståelse av dessa interaktioner.
Laserpumpning är en process där energi, vanligtvis i form av ljus eller elektrisk ström, tillförs en lasers förstärkningsmedium för att höja dess atomer eller molekyler till högre energitillstånd. Denna energiöverföring är avgörande för att uppnå populationsinversion, ett tillstånd där fler partiklar exciteras än i ett lägre energitillstånd, vilket gör det möjligt för mediet att förstärka ljus via stimulerad emission. Processen involverar invecklade kvantinteraktioner, ofta modellerade genom hastighetsekvationer eller mer avancerade kvantmekaniska ramverk. Viktiga aspekter inkluderar valet av pumpkälla (som laserdioder eller urladdningslampor), pumpgeometri (sido- eller ändpumpning) och optimering av pumpljusegenskaper (spektrum, intensitet, strålkvalitet, polarisering) för att matcha de specifika kraven för förstärkningsmediet. Laserpumpning är grundläggande i olika lasertyper, inklusive fasta tillstånds-, halvledar- och gaslasrar, och är avgörande för laserns effektiva drift.
Varianter av optiskt pumpade lasrar
1. Fastfaslasrar med dopade isolatorer
· Översikt:Dessa lasrar använder ett elektriskt isolerande värdmedium och förlitar sig på optisk pumpning för att aktivera laseraktiva joner. Ett vanligt exempel är neodym i YAG-lasrar.
·Ny forskning:En studie av A. Antipov et al. diskuterar en fastfaslaser i nära-infrarött för optisk pumpning med spinnutbyte. Denna forskning belyser framstegen inom fastfaslaserteknik, särskilt inom det nära-infraröda spektrumet, vilket är avgörande för tillämpningar som medicinsk avbildning och telekommunikation.
Vidare läsning:En fast tillstånds-nära-IR-laser för spinnutbytes-optisk pumpning
2. Halvledarlasrar
·Allmän information: Halvledarlasrar, som vanligtvis är elektriskt pumpade, kan också dra nytta av optisk pumpning, särskilt i tillämpningar som kräver hög ljusstyrka, såsom vertikala externa kavitetsytsemitterande lasrar (VECSEL).
·Senaste utvecklingen: U. Kellers arbete med optiska frekvenskammar från ultrasnabba fasta tillstånds- och halvledarlasrar ger insikter i genereringen av stabila frekvenskammar från diodpumpade fasta tillstånds- och halvledarlasrar. Denna utveckling är betydande för tillämpningar inom optisk frekvensmetrologi.
Vidare läsning:Optiska frekvenskammar från ultrasnabba fasta tillstånds- och halvledarlasrar
3. Gaslasrar
·Optisk pumpning i gaslasrar: Vissa typer av gaslasrar, som alkaliånglasrar, använder optisk pumpning. Dessa lasrar används ofta i tillämpningar som kräver koherenta ljuskällor med specifika egenskaper.
Källor för optisk pumpning
UrladdningslamporUrladdningslampor är vanliga i lamppumpade lasrar och används för sin höga effekt och breda spektrum. YA Mandryko et al. utvecklade en effektmodell för generering av impulsbågsurladdning i aktiva optiska xenonlampor i fasta tillståndslasrar. Denna modell hjälper till att optimera prestandan hos impulspumplampor, vilket är avgörande för effektiv laserdrift.
Laserdioder:Laserdioder, som används i diodpumpade lasrar, erbjuder fördelar som hög effektivitet, kompakt storlek och möjligheten att finjusteras.
Vidare läsning:vad är en laserdiod?
BlixtlamporBlixtlampor är intensiva ljuskällor med ett brett spektrum som vanligtvis används för att pumpa fasta lasrar, såsom rubin- eller Nd:YAG-lasrar. De ger en högintensiv ljusstråle som exciterar lasermediet.
BåglamporI likhet med blixtlampor men konstruerade för kontinuerlig drift erbjuder båglampor en stadig källa av intensivt ljus. De används i applikationer där kontinuerlig våglaserdrift (CW) krävs.
LED-lampor (Ljusgivande dioder)Även om de inte är lika vanliga som laserdioder, kan lysdioder användas för optisk pumpning i vissa lågeffektsapplikationer. De är fördelaktiga på grund av sin långa livslängd, låga kostnad och tillgänglighet i olika våglängder.
SolljusI vissa experiment har koncentrerat solljus använts som 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 artificiella ljuskällor.
Fiberkopplade laserdioderDessa är laserdioder kopplade till optiska fibrer, vilka levererar pumpljuset mer effektivt till lasermediet. Denna metod är särskilt användbar i fiberlasrar och i situationer där exakt leverans av pumpljus är avgörande.
Andra lasrarIbland används en laser för att pumpa en annan. Till exempel kan en frekvensfördubblad Nd:YAG-laser användas för att pumpa en färgämneslaser. Denna metod används ofta när specifika våglängder krävs för pumpningsprocessen, vilket inte lätt kan uppnås med konventionella ljuskällor.
Diodpumpad fast tillståndslaser
Ursprunglig energikällaProcessen börjar med en diodlaser, som fungerar som pumpkälla. Diodlasrar väljs för sin effektivitet, kompakta storlek och förmåga att avge ljus vid specifika våglängder.
Pumplampa:Diodlasern avger ljus som absorberas av förstärkningsmediet i fast tillstånd. Diodlaserns våglängd anpassas för att matcha förstärkningsmediets absorptionsegenskaper.
Fast tillståndFörstärkningsmedel
Material:Förstärkningsmediet i DPSS-lasrar är vanligtvis ett fast tillståndsmaterial som Nd:YAG (neodymdopad yttriumaluminiumgranat), Nd:YVO4 (neodymdopad yttriumortovanadat) eller Yb:YAG (ytterbiumdopad yttriumaluminiumgranat).
Doping:Dessa material är dopade med sällsynta jordartsmetaller (som Nd eller Yb), vilka är de aktiva laserjonerna.
Energiabsorption och excitation:När pumpljuset från diodlasern kommer in i förstärkningsmediet absorberar de sällsynta jordartsmetallerna denna energi och exciteras till högre energitillstånd.
Populationsinversion
Att uppnå populationsinversion:Nyckeln till laserverkan är att uppnå en populationsinversion i förstärkningsmediet. Detta innebär att fler joner är i exciterat tillstånd än i grundtillstånd.
Stimulerad emission:När populationsinversion har uppnåtts kan införandet av en foton som motsvarar energiskillnaden mellan det exciterade tillståndet och grundtillståndet stimulera de exciterade jonerna att återgå till grundtillståndet och avge en foton i processen.
Optisk resonator
Speglar: Förstärkningsmediet placeras inuti en optisk resonator, vanligtvis bildad av två speglar i vardera änden av mediet.
Återkoppling och förstärkning: En av speglarna är starkt reflekterande och den andra är delvis reflekterande. Fotoner studsar fram och tillbaka mellan dessa speglar, vilket stimulerar mer emission och förstärker ljuset.
Laseremission
Koherent ljus: De fotoner som emitteras är koherenta, vilket betyder att de är i fas och har samma våglängd.
Utgång: Den delvis reflekterande spegeln tillåter en del av detta ljus att passera igenom, vilket bildar laserstrålen som lämnar DPSS-lasern.
Pumpgeometrier: Sido- vs. Ändpumpning
| Pumpningsmetod | Beskrivning | Applikationer | Fördelar | Utmaningar |
|---|---|---|---|---|
| Sidopumpning | Pumpljus introduceras vinkelrätt mot lasermediet | Stav- eller fiberlasrar | Jämn fördelning av pumpljus, lämplig för högeffektsapplikationer | Ojämn förstärkningsfördelning, nedre strålkvalitet |
| Slutpumpning | Pumpljus riktat längs samma axel som laserstrålen | Fastfaslasrar som Nd:YAG | Jämn förstärkningsfördelning, högre strålkvalitet | Komplex uppriktning, mindre effektiv värmeavledning i högeffektslasrar |
Krav för effektiv pumpbelysning
| Krav | Betydelse | Påverkan/Balans | Ytterligare anmärkningar |
|---|---|---|---|
| Spektrumlämplighet | Våglängden måste matcha lasermediets absorptionsspektrum | Säkerställer effektiv absorption och effektiv populationsinversion | - |
| Intensitet | Måste vara tillräckligt hög för önskad excitationsnivå | Alltför höga intensiteter kan orsaka termisk skada; för låga uppnår inte populationsinversion | - |
| Strålkvalitet | Särskilt kritisk i ändpumpade lasrar | Säkerställer effektiv koppling och bidrar till den utsända laserstrålens kvalitet | Hög strålkvalitet är avgörande för exakt överlappning av pumpljus och laserlägesvolym |
| Polarisering | Krävs för media med anisotropa egenskaper | Förbättrar absorptionseffektiviteten och kan påverka polariseringen av utsänt laserljus | Specifikt polarisationstillstånd kan vara nödvändigt |
| Intensitetsbrus | Låga ljudnivåer är avgörande | Fluktuationer i pumpens ljusintensitet kan påverka laserns utmatningskvalitet och stabilitet | Viktigt för applikationer som kräver hög stabilitet och precision |
Publiceringstid: 1 december 2023