Pretplatite se na naše društvene mreže za brze objave
U svojoj biti, lasersko pumpanje je proces energiziranja medija kako bi se postiglo stanje u kojem može emitirati lasersku svjetlost. To se obično radi ubrizgavanjem svjetlosti ili električne struje u medij, što pobuđuje njegove atome i dovodi do emisije koherentne svjetlosti. Ovaj temeljni proces značajno se razvio od pojave prvih lasera sredinom 20. stoljeća.
Iako se često modelira jednadžbama brzine, lasersko pumpanje je u osnovi kvantno mehanički proces. Uključuje složene interakcije između fotona i atomske ili molekularne strukture medija pojačanja. Napredni modeli uzimaju u obzir fenomene poput Rabijevih oscilacija, koje pružaju nijansiranije razumijevanje tih interakcija.
Lasersko pumpanje je proces u kojem se energija, obično u obliku svjetlosti ili električne struje, dovodi u laserski medij za pojačanje kako bi se njegovi atomi ili molekule podigli u viša energetska stanja. Ovaj prijenos energije ključan je za postizanje inverzije naseljenosti, stanja u kojem je više čestica pobuđeno nego u stanju niže energije, što omogućuje mediju da pojača svjetlost putem stimulirane emisije. Proces uključuje složene kvantne interakcije, često modelirane pomoću jednadžbi brzine ili naprednijih kvantno-mehaničkih okvira. Ključni aspekti uključuju izbor izvora pumpanja (poput laserskih dioda ili lampi za izbijanje), geometriju pumpanja (bočno ili krajnje pumpanje) i optimizaciju karakteristika svjetlosti pumpanja (spektar, intenzitet, kvaliteta snopa, polarizacija) kako bi se uskladile sa specifičnim zahtjevima medija za pojačanje. Lasersko pumpanje je temeljno u različitim vrstama lasera, uključujući lasere u čvrstom stanju, poluvodičke i plinske lasere, te je bitno za učinkovit i djelotvoran rad lasera.
Vrste optički pumpanih lasera
1. Laseri u čvrstom stanju s dopiranim izolatorima
· Pregled:Ovi laseri koriste električno izolirajući medij i oslanjaju se na optičko pumpanje za energiziranje laserski aktivnih iona. Uobičajen primjer je neodimij u YAG laserima.
·Nedavna istraživanja:Studija A. Antipova i suradnika raspravlja o čvrstom laseru bliskog infracrvenog zračenja za optičko pumpanje spin-izmjenom. Ovo istraživanje ističe napredak u tehnologiji čvrstog lasera, posebno u spektru bliskog infracrvenog zračenja, koji je ključan za primjene poput medicinskog snimanja i telekomunikacija.
Dodatno čitanje:Čvrsti laser bliskog infracrvenog zračenja za optičko pumpanje spin-izmjenom
2. Poluvodički laseri
·Opće informacije: Poluvodički laseri, obično električno pumpani, također mogu imati koristi od optičkog pumpanja, posebno u primjenama koje zahtijevaju visoku svjetlinu, kao što su vertikalni laseri s vanjskom šupljinom i površinskim emitiranjem (VECSEL).
·Nedavni razvoj: Rad U. Kellera na optičkim frekvencijskim češljevima iz ultrabrzih lasera u čvrstom stanju i poluvodičkih lasera pruža uvid u generiranje stabilnih frekvencijskih češljeva iz lasera u čvrstom stanju i poluvodičkih lasera pumpanih diodom. Ovaj napredak je značajan za primjene u optičkoj frekvencijskoj metrologiji.
Dodatno čitanje:Optički frekvencijski češljevi iz ultrabrzih lasera u čvrstom stanju i poluvodičkih lasera
3. Plinski laseri
·Optičko pumpanje u plinskim laserima: Određene vrste plinskih lasera, poput lasera s alkalnom parom, koriste optičko pumpanje. Ovi laseri se često koriste u primjenama koje zahtijevaju koherentne izvore svjetlosti sa specifičnim svojstvima.
Izvori za optičko pumpanje
Izbojne žaruljeUobičajene u laserima s lampama, izbojne lampe koriste se zbog svoje velike snage i širokog spektra. YA Mandryko i suradnici razvili su model snage generiranja impulsnog lučnog pražnjenja u ksenonskim lampama s optičkim pumpanjem aktivnog medija čvrstog lasera. Ovaj model pomaže u optimizaciji performansi impulsnih pumpnih lampi, ključnih za učinkovit rad lasera.
Laserske diode:Korištene u laserima s diodnom pumpom, laserske diode nude prednosti poput visoke učinkovitosti, kompaktne veličine i mogućnosti finog podešavanja.
Daljnje čitanje:Što je laserska dioda?
BljeskaliceBljeskalice su intenzivni izvori svjetlosti širokog spektra koji se obično koriste za pumpanje lasera u čvrstom stanju, kao što su rubinski ili Nd:YAG laseri. Pružaju visokointenzivni bljesak svjetlosti koji pobuđuje laserski medij.
Lučne lampeSlično bljeskalicama, ali dizajnirane za kontinuirani rad, lučne lampe nude stalan izvor intenzivnog svjetla. Koriste se u primjenama gdje je potreban rad lasera kontinuiranog vala (CW).
LED diode (svjetleće diode)Iako nisu toliko uobičajene kao laserske diode, LED diode se mogu koristiti za optičko pumpanje u određenim primjenama male snage. Prednost im leži u dugom vijeku trajanja, niskoj cijeni i dostupnosti u različitim valnim duljinama.
Sunčeva svjetlostU nekim eksperimentalnim postavkama, koncentrirana sunčeva svjetlost korištena je kao izvor pumpe za lasere pumpane solarnom energijom. Ova metoda iskorištava sunčevu energiju, što je čini obnovljivim i isplativim izvorom, iako je manje kontrolirana i manje intenzivna u usporedbi s umjetnim izvorima svjetlosti.
Laserske diode spojene vlaknimaTo su laserske diode spojene na optička vlakna koja učinkovitije isporučuju svjetlo pumpe laserskom mediju. Ova metoda je posebno korisna kod vlaknastih lasera i u situacijama gdje je precizna isporuka svjetla pumpe ključna.
Ostali laseriPonekad se jedan laser koristi za pumpanje drugog. Na primjer, Nd:YAG laser s udvostručenom frekvencijom može se koristiti za pumpanje lasera s bojom. Ova se metoda često koristi kada su potrebne specifične valne duljine za proces pumpanja koje se ne mogu lako postići konvencionalnim izvorima svjetlosti.
Diodno pumpani laser u čvrstom stanju
Početni izvor energijeProces započinje diodnim laserom koji služi kao izvor pumpe. Diodni laseri su odabrani zbog svoje učinkovitosti, kompaktne veličine i sposobnosti emitiranja svjetlosti na određenim valnim duljinama.
Svjetlo pumpe:Diodni laser emitira svjetlost koju apsorbira čvrsto stanje kao medij za pojačanje. Valna duljina diodnog lasera prilagođena je apsorpcijskim karakteristikama medija za pojačanje.
Solid-stateSrednje pojačanje
Materijal:Medij za pojačanje u DPSS laserima je obično materijal u čvrstom stanju poput Nd:YAG (neodimijski dopirani itrijev aluminijev granat), Nd:YVO4 (neodimijski dopirani itrijev ortovanadat) ili Yb:YAG (iterbijem dopirani itrijev aluminijev granat).
Doping:Ovi materijali su dopirani rijetkim zemnim ionima (poput Nd ili Yb), koji su aktivni laserski ioni.
Apsorpcija i pobuđivanje energije:Kada svjetlo pumpe iz diodnog lasera uđe u medij za pojačanje, ioni rijetkih zemalja apsorbiraju tu energiju i pobuđuju se u viša energetska stanja.
Inverzija populacije
Postizanje inverzije populacije:Ključ djelovanja lasera je postizanje inverzije naseljenosti u mediju pojačanja. To znači da je više iona u pobuđenom stanju nego u osnovnom stanju.
Stimulirana emisija:Nakon što se postigne inverzija naseljenosti, uvođenje fotona koji odgovara energetskoj razlici između pobuđenog i osnovnog stanja može potaknuti pobuđene ione da se vrate u osnovno stanje, emitirajući pritom foton.
Optički rezonator
Ogledala: Medij za pojačanje smješten je unutar optičkog rezonatora, obično formiranog od dva zrcala na svakom kraju medija.
Povratna veza i pojačanje: Jedno od zrcala je visoko reflektirajuće, a drugo je djelomično reflektirajuće. Fotoni se odbijaju naprijed-natrag između ovih zrcala, potičući više emisija i pojačavajući svjetlost.
Laserska emisija
Koherentna svjetlost: Emitirani fotoni su koherentni, što znači da su u fazi i imaju istu valnu duljinu.
Izlaz: Djelomično reflektirajuće zrcalo propušta dio te svjetlosti, formirajući lasersku zraku koja izlazi iz DPSS lasera.
Geometrije pumpanja: Bočno vs. krajnje pumpanje
| Metoda pumpanja | Opis | Primjene | Prednosti | Izazovi |
|---|---|---|---|---|
| Bočno pumpanje | Svjetlost pumpe uvedena okomito na laserski medij | Štapni ili vlaknasti laseri | Ravnomjerna raspodjela svjetla pumpe, pogodna za primjene velike snage | Nejednolika raspodjela pojačanja, kvaliteta nižeg snopa |
| Kraj pumpanja | Svjetlost pumpe usmjerena duž iste osi kao i laserska zraka | Laseri u čvrstom stanju poput Nd:YAG-a | Jednolika raspodjela pojačanja, veća kvaliteta snopa | Složeno poravnanje, manje učinkovito odvođenje topline kod lasera velike snage |
Zahtjevi za učinkovito svjetlo pumpe
| Zahtjev | Važnost | Utjecaj/Ravnoteža | Dodatne napomene |
|---|---|---|---|
| Prikladnost spektra | Valna duljina mora odgovarati apsorpcijskom spektru laserskog medija | Osigurava učinkovitu apsorpciju i učinkovitu inverziju populacije | - |
| Intenzitet | Mora biti dovoljno visok za željenu razinu uzbuđenja | Previsoki intenziteti mogu uzrokovati toplinska oštećenja; preniski neće postići inverziju populacije. | - |
| Kvaliteta snopa | Posebno kritično kod lasera s krajnjom pumpom | Osigurava učinkovito spajanje i doprinosi kvaliteti emitiranog laserskog snopa | Kvaliteta dugog snopa ključna je za precizno preklapanje volumena svjetlosti pumpe i laserskog moda |
| Polarizacija | Potrebno za medije s anizotropnim svojstvima | Povećava učinkovitost apsorpcije i može utjecati na polarizaciju emitirane laserske svjetlosti | Može biti potrebno specifično stanje polarizacije |
| Intenzitet šuma | Niska razina buke je ključna | Fluktuacije u intenzitetu svjetlosti pumpe mogu utjecati na kvalitetu i stabilnost laserskog izlaza | Važno za primjene koje zahtijevaju visoku stabilnost i preciznost |
Vrijeme objave: 01.12.2023.