Prenumerera på våra sociala medier för ett snabbt inlägg
I huvudsak 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, excitera dess atomer och leda till emission av koherent ljus. Denna grundläggande process har utvecklats avsevärt sedan tillkomsten av de första lasrarna i mitten av 1900-talet.
Även om den ofta modelleras av hastighetsekvationer, är laserpumpning i grunden en kvantmekanisk process. Det involverar intrikata interaktioner mellan fotoner och den atomära eller molekylära strukturen hos förstärkningsmediet. Avancerade modeller tar hänsyn till fenomen som Rabi-svängningar, 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. Nyckelaspekter inkluderar valet av pumpkälla (som laserdioder eller urladdningslampor), pumpgeometri (sido- eller ändpumpning) och optimering av pumpljusegenskaper (spektrum, intensitet, strålkvalitet, polarisation) för att matcha de specifika kraven i vinst medium. Laserpumpning är grundläggande i olika lasertyper, inklusive solid-state, halvledar- och gaslasrar, och är avgörande för laserns effektiva och effektiva funktion.
Variationer av optiskt pumpade laser
1. Solid State-lasrar 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.
·Senaste forskning:En studie av A. Antipov et al. diskuterar en solid-state near-IR-laser för spin-exchange optisk pumpning. Denna forskning belyser framstegen inom solid-state laserteknologi, särskilt i det nära-infraröda spektrumet, vilket är avgörande för tillämpningar som medicinsk bildbehandling och telekommunikation.
Ytterligare läsning:En Solid-State Near-IR-laser för spin-Exchange optisk pumpning
2. Halvledarlasrar
·Allmän information: Vanligtvis elektriskt pumpade, halvledarlasrar kan också dra nytta av optisk pumpning, särskilt i applikationer som kräver hög ljusstyrka, såsom Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs).
·Senaste utvecklingen: U. Kellers arbete med optiska frekvenskammar från ultrasnabba halvledar- och halvledarlasrar ger insikter i genereringen av stabila frekvenskammar från diodpumpade halvledar- och halvledarlasrar. Detta framsteg är betydande för applikationer inom optisk frekvensmetrologi.
Ytterligare läsning:Optiska frekvenskammar från ultrasnabba halvledarlasrar och halvledarlasrar
3. Gaslasrar
·Optisk pumpning i gaslasrar: Vissa typer av gaslasrar, som alkaliska ånglasrar, använder optisk pumpning. Dessa lasrar används ofta i applikationer som kräver koherenta ljuskällor med specifika egenskaper.
Källor för optisk pumpning
Urladdningslampor: Vanligt i lamppumpade lasrar, urladdningslampor används för sin höga effekt och breda spektrum. YA Mandryko et al. utvecklat en kraftmodell för generering av impulsbågsurladdning i aktiva media optiskt pumpande xenonlampor av halvledarlasrar. Denna modell hjälper till att optimera prestandan hos impulspumpande lampor, vilket är avgörande för effektiv laserdrift.
Laserdioder:Används i diodpumpade lasrar, laserdioder erbjuder fördelar som hög effektivitet, kompakt storlek och förmågan att finjusteras.
Mer läsning:vad är en laserdiod?
Blixtlampor: Blixtlampor är intensiva, bredspektrade ljuskällor som vanligtvis används för att pumpa fasta lasrar, som rubin- eller Nd:YAG-lasrar. De ger en högintensiv ljusskur som exciterar lasermediet.
Båglampor: I likhet med blixtlampor men utformade för kontinuerlig drift erbjuder båglampor en stadig källa av intensivt ljus. De används i applikationer där laserdrift med kontinuerlig våg (CW) krävs.
Lysdioder (Light Emitting Diodes): Även om det inte är lika vanligt som laserdioder, kan lysdioder användas för optisk pumpning i vissa lågeffekttillämpningar. De är fördelaktiga på grund av sin långa livslängd, låga kostnad och tillgänglighet i olika våglängder.
Solljus: I vissa experimentuppställningar 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 artificiella ljuskällor.
Fiberkopplade laserdioder: Dessa är laserdioder kopplade till optiska fibrer, som levererar pumpljuset mer effektivt till lasermediet. Denna metod är särskilt användbar i fiberlasrar och i situationer där exakt leverans av pumpljus är avgörande.
Andra laser: Ibland används en laser för att pumpa en annan. Till exempel kan en frekvensfördubblad Nd:YAG-laser användas för att pumpa en färglaser. Denna metod används ofta när specifika våglängder krävs för pumpningsprocessen som inte är lätt att uppnå med konventionella ljuskällor.
Diodpumpad halvledarlaser
Initial energikälla: Processen börjar med en diodlaser, som fungerar som pumpkälla. Diodlasrar är valda för deras effektivitet, kompakta storlek och förmåga att avge ljus vid specifika våglängder.
Pumpljus:Diodlasern avger ljus som absorberas av halvledarförstärkningsmediet. Diodlaserns våglängd är skräddarsydd för att matcha förstärkningsmediets absorptionsegenskaper.
Solid StateVinst Medium
Material:Förstärkningsmediet i DPSS-lasrar är vanligtvis ett fast tillståndsmaterial som Nd:YAG (Neodym-dopad Yttrium Aluminium Granat), Nd:YVO4 (Neodym-dopad Yttrium Orthovanadate) eller Yb:YAG (Ytterbium-dopad Yttrium Aluminium Granat).
Doping:Dessa material är dopade med sällsynta jordartsmetalljoner (som Nd eller Yb), som är de aktiva laserjonerna.
Energiabsorption och excitation:När pumpljuset från diodlasern kommer in i förstärkningsmediet, absorberar jonerna av sällsynta jordartsmetaller denna energi och exciteras till högre energitillstånd.
Populationsinversion
Att uppnå befolkningsinversion:Nyckeln till laserverkan är att uppnå en populationsinversion i förstärkningsmediet. Detta innebär att fler joner är i ett exciterat tillstånd än i grundtillståndet.
Stimulerad emission:När populationsinversion har uppnåtts kan införandet av en foton som motsvarar energiskillnaden mellan det exciterade och grundtillståndet stimulera de exciterade jonerna att återgå till grundtillståndet, och sända ut en foton i processen.
Optisk resonator
Speglar: Förstärkningsmediet placeras inuti en optisk resonator, vanligtvis bildad av två speglar i varje ände av mediet.
Feedback och förstärkning: En av speglarna är mycket reflekterande och den andra är delvis reflekterande. Fotoner studsar fram och tillbaka mellan dessa speglar, stimulerar mer emissioner och förstärker ljuset.
Laser Emission
Koherent ljus: Fotonerna 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 och bildar laserstrålen som lämnar DPSS-lasern.
Pumpningsgeometrier: Sida vs. Endpumpning
| Pumpmetod | Beskrivning | Ansökningar | Fördelar | Utmaningar |
|---|---|---|---|---|
| Sidopumpning | Pumpljus infört vinkelrätt mot lasermediet | Stång eller fiberlasrar | Jämn fördelning av pumpljus, lämplig för applikationer med hög effekt | Ojämn förstärkningsfördelning, lägre strålkvalitet |
| Avsluta pumpning | Pumpljus riktat längs samma axel som laserstrålen | Solid-state lasrar som Nd:YAG | Jämn förstärkningsfördelning, högre strålkvalitet | Komplex inriktning, mindre effektiv värmeavledning i högeffektlasrar |
Krav för effektivt pumpljus
| Krav | Betydelse | Effekt/Balans | Ytterligare anmärkningar |
|---|---|---|---|
| Spectrum lämplighet | Våglängden måste matcha lasermediets absorptionsspektrum | Säkerställer effektiv absorption och effektiv populationsinversion | - |
| Intensitet | Måste vara tillräckligt hög för önskad excitationsnivå | Alltför höga intensiteter kan orsaka värmeskador; för låg kommer inte att uppnå populationsinversion | - |
| Strålkvalitet | Särskilt kritiskt i slutpumpade lasrar | Säkerställer effektiv koppling och bidrar till emitterad laserstrålekvalitet | 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 polariseringstillstånd kan vara nödvändigt |
| Intensitet Brus | Låga ljudnivåer är avgörande | Fluktuationer i pumpens ljusintensitet kan påverka laserns utskriftskvalitet och stabilitet | Viktigt för applikationer som kräver hög stabilitet och precision |
Posttid: Dec-01-2023