Pretplatite se na naše društvene mreže za brzu objavu
U svojoj biti, lasersko pumpanje je proces energiziranja medija kako bi se postiglo stanje u kojem može emitirati lasersko svjetlo. To se obično radi ubrizgavanjem svjetlosti ili električne struje u medij, pobuđujući njegove atome i dovodeći 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 zamršene interakcije između fotona i atomske ili molekularne strukture medija za dobivanje. Napredni modeli razmatraju fenomene poput Rabijevih oscilacija, koje pružaju nijansiranije razumijevanje ovih interakcija.
Lasersko pumpanje je proces u kojem se energija, obično u obliku svjetlosti ili električne struje, dovodi u medij za pojačanje lasera 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 zamršene kvantne interakcije, često modelirane putem jednadžbi brzine ili naprednijih kvantnomehaničkih okvira. Ključni aspekti uključuju izbor izvora pumpe (kao što su laserske diode ili žarulje s izbojem), geometriju pumpe (bočno ili krajnje pumpanje) i optimizaciju karakteristika svjetla pumpe (spektar, intenzitet, kvaliteta zrake, polarizacija) kako bi odgovarala specifičnim zahtjevima dobiti srednje. Lasersko pumpanje temeljno je u raznim tipovima lasera, uključujući čvrste, poluvodičke i plinske lasere, te je bitno za učinkovit i učinkovit rad lasera.
Varijante optički pumpanih lasera
1. Laseri čvrstog stanja s dopiranim izolatorima
· Pregled:Ovi laseri koriste električni izolacijski medij domaćina i oslanjaju se na optičko pumpanje za energiziranje laserski aktivnih iona. Čest primjer je neodim u YAG laserima.
·Nedavna istraživanja:Studija A. Antipova i sur. raspravlja o čvrstom bliskom IR laseru za optičko pumpanje s izmjenom spina. Ovo istraživanje naglašava napredak u tehnologiji lasera u čvrstom stanju, posebno u bliskom infracrvenom spektru, što je ključno za primjene poput medicinskog snimanja i telekomunikacija.
Dodatna literatura:Čvrsti bliski infracrveni laser za optičko pumpanje s izmjenom spina
2. Poluvodički laseri
·Opće informacije: Obično električno pumpani, poluvodički laseri također mogu imati koristi od optičkog pumpanja, posebno u aplikacijama koje zahtijevaju visoku svjetlinu, kao što su laseri koji emitiraju okomitu površinu vanjske šupljine (VECSEL).
·Najnoviji razvoj: Rad U. Kellera na optičkim frekvencijskim češljevima iz ultrabrzih solid-state i poluvodičkih lasera daje uvid u stvaranje stabilnih frekvencijskih češljeva od diodno-pumpanih solid-state i poluvodičkih lasera. Ovaj napredak je značajan za primjene u optičkom frekvencijskom mjeriteljstvu.
Dodatna literatura:Optički frekvencijski češljevi ultrabrzih čvrstih i poluvodičkih lasera
3. Plinski laseri
·Optičko pumpanje u plinskim laserima: Određene vrste plinskih lasera, poput lasera s alkalnom parom, koriste optičko pumpanje. Ovi se laseri često koriste u aplikacijama koje zahtijevaju koherentne izvore svjetlosti s određenim svojstvima.
Izvori za optičko pumpanje
Svjetiljke s pražnjenjem: Uobičajene u laserima s pumpom lampe, žarulje s izbojem koriste se zbog svoje velike snage i širokog spektra. YA Mandryko i sur. razvio model snage generiranja impulsnog lučnog pražnjenja u aktivnim medijima optičke pumpne ksenonske žarulje lasera u čvrstom stanju. Ovaj model pomaže optimizirati rad žarulja s impulsnim pumpanjem, što je ključno za učinkovit rad lasera.
Laserske diode:Koriste se u laserima s diodnom pumpom, laserske diode nude prednosti poput visoke učinkovitosti, kompaktne veličine i mogućnosti finog podešavanja.
Dodatno čitanje:što je laserska dioda?
Bljeskalice: Bljeskalice su intenzivni izvori svjetlosti širokog spektra koji se obično koriste za pumpanje lasera čvrstog stanja, poput rubin ili Nd:YAG lasera. Oni daju bljesak svjetlosti visokog intenziteta koji pobuđuje laserski medij.
Lučne svjetiljke: Slično bljeskalicama, ali dizajnirane za kontinuirani rad, lučne svjetiljke nude stabilan izvor intenzivnog svjetla. Koriste se u primjenama gdje je potreban laserski rad s kontinuiranim valom (CW).
LED (diode koje emitiraju svjetlost): Iako nisu tako uobičajene kao laserske diode, LED se mogu koristiti za optičko pumpanje u određenim aplikacijama male snage. Prednost im je zbog dugog vijeka trajanja, niske cijene i dostupnosti u različitim valnim duljinama.
Sunčeva svjetlost: U nekim eksperimentalnim postavkama, koncentrirana sunčeva svjetlost korištena je kao izvor pumpe za lasere sa solarnom pumpom. Ova metoda iskorištava sunčevu energiju, čineći je obnovljivim i isplativim izvorom, iako je manje kontrolirana i manje je intenzivna u usporedbi s umjetnim izvorima svjetlosti.
Laserske diode povezane s vlaknima: To su laserske diode povezane s optičkim vlaknima, koje učinkovitije isporučuju svjetlo pumpe laserskom mediju. Ova metoda je posebno korisna u laserima s vlaknima iu situacijama u kojima je presudna isporuka svjetla pumpe.
Ostali laseri: Ponekad se jedan laser koristi za pumpanje drugog. Na primjer, Nd:YAG laser s udvostručenom frekvencijom može se koristiti za pumpanje lasera za bojenje. Ova se metoda često koristi kada su za proces pumpanja potrebne specifične valne duljine koje nije lako postići s konvencionalnim izvorima svjetlosti.
Solid-state laser s diodnom pumpom
Početni izvor energije: Proces počinje s diodnim laserom, koji služi kao izvor pumpe. Diodni laseri odabrani su zbog svoje učinkovitosti, kompaktne veličine i sposobnosti emitiranja svjetlosti na određenim valnim duljinama.
Svjetlo pumpe:Diodni laser emitira svjetlost koju apsorbira medij čvrstog stanja. Valna duljina diodnog lasera prilagođena je tako da odgovara apsorpcijskim karakteristikama medija pojačanja.
Solid-StateSrednji dobitak
Materijal:Medij za pojačanje u DPSS laserima obično je materijal u čvrstom stanju kao što je Nd:YAG (itrij-aluminijski granat dopiran neodimijem), Nd:YVO4 (itrijev ortovanadat dopiran neodimijem) ili Yb:YAG (itrij-aluminijski granat dopiran iterbijem).
Doping:Ovi materijali su dopirani ionima rijetkih zemalja (poput Nd ili Yb), koji su aktivni laserski ioni.
Apsorpcija i pobuda energije:Kada svjetlo pumpe iz diodnog lasera uđe u medij pojačanja, ioni rijetkih zemalja apsorbiraju tu energiju i pobuđuju se u viša energetska stanja.
Inverzija stanovništva
Postizanje inverzije populacije:Ključ laserskog djelovanja je postizanje inverzije populacije u mediju pojačanja. To znači da je više iona u pobuđenom nego u osnovnom stanju.
Stimulirana emisija:Nakon što se postigne inverzija naseljenosti, uvođenje fotona koji odgovara razlici energije 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 informacija i pojačanje: Jedno zrcalo ima visoku refleksiju, a drugo djelomično refleksiju. Fotoni se odbijaju naprijed-natrag između tih zrcala, potičući više emisija i pojačavajući svjetlost.
Laserska emisija
Koherentna svjetlost: Fotoni koji se emitiraju su koherentni, što znači da su u fazi i imaju istu valnu duljinu.
Izlaz: Djelomično reflektirajuće zrcalo dopušta dio ove svjetlosti da prođe, formirajući lasersku zraku koja izlazi iz DPSS lasera.
Geometrije pumpanja: Bočno naspram krajnjeg pumpanja
| Metoda pumpanja | Opis | Prijave | Prednosti | Izazovi |
|---|---|---|---|---|
| Bočno pumpanje | Svjetlo pumpe uvedeno okomito na laserski medij | Štapni ili vlaknasti laseri | Jednolika raspodjela svjetla pumpe, pogodna za aplikacije velike snage | Nejednolika raspodjela pojačanja, niža kvaliteta snopa |
| Kraj pumpanja | Svjetlo pumpe usmjereno duž iste osi kao i laserska zraka | Solid-state laseri poput Nd:YAG | Jednolika raspodjela pojačanja, veća kvaliteta snopa | Složeno poravnanje, manje učinkovito odvođenje topline u laserima 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 uzbude | Previsoki intenziteti mogu uzrokovati toplinska oštećenja; prenizak neće postići inverziju populacije | - |
| Kvaliteta snopa | Osobito kritično u laserima s krajnjim pumpanjem | Osigurava učinkovito spajanje i pridonosi kvaliteti emitirane laserske zrake | Visoka kvaliteta snopa ključna je za precizno preklapanje svjetla pumpe i volumena laserskog načina rada |
| Polarizacija | Potreban za medije s anizotropnim svojstvima | Povećava učinkovitost apsorpcije i može utjecati na polarizaciju emitiranog laserskog svjetla | Može biti potrebno specifično stanje polarizacije |
| Intenzitet buke | Niske razine buke su ključne | Fluktuacije u intenzitetu svjetla pumpe mogu utjecati na kvalitetu i stabilnost laserskog izlaza | Važno za primjene koje zahtijevaju visoku stabilnost i preciznost |
Vrijeme objave: 1. prosinca 2023