Претплатите се на наше друштвене мреже за брзе објаве
У својој суштини, ласерско пумпање је процес енергизације медијума да би се постигло стање у којем може да емитује ласерску светлост. То се обично ради убризгавањем светлости или електричне струје у медијум, што побуђује његове атоме и доводи до емисије кохерентне светлости. Овај основни процес се значајно развио од појаве првих ласера средином 20. века.
Иако се често моделује једначинама брзине, ласерско пумпање је у основи квантно механички процес. Оно укључује сложене интеракције између фотона и атомске или молекуларне структуре медијума за појачање. Напредни модели разматрају феномене попут Рабијевих осцилација, које пружају нијансираније разумевање ових интеракција.
Ласерско пумпање је процес у коме се енергија, обично у облику светлости или електричне струје, доводи у ласерски медијум за појачање како би се његови атоми или молекули подигли у виша енергетска стања. Овај пренос енергије је кључан за постизање инверзије насељености, стања у којем је више честица побуђено него у стању ниже енергије, што омогућава медијуму да појача светлост путем стимулисане емисије. Процес укључује сложене квантне интеракције, често моделиране кроз једначине брзине или напредније квантно-механичке оквире. Кључни аспекти укључују избор извора пумпе (као што су ласерске диоде или лампе са пражњењем), геометрију пумпе (бочно или крајње пумпање) и оптимизацију карактеристика светлости пумпе (спектар, интензитет, квалитет снопа, поларизација) како би се ускладили са специфичним захтевима медијума за појачање. Ласерско пумпање је фундаментално у различитим типовима ласера, укључујући чврстофазне, полупроводничке и гасне ласере, и неопходно је за ефикасан и делотворан рад ласера.
Врсте оптички пумпаних ласера
1. Чврстофазни ласери са допираним изолаторима
· Преглед:Ови ласери користе електрично изолациони медијум домаћина и ослањају се на оптичко пумпање за енергизацију ласерски активних јона. Уобичајени пример је неодимијум у YAG ласерима.
·Недавна истраживања:Студија А. Антипова и сарадника разматра чврстофазни ласер блиског инфрацрвеног зрачења за оптичко пумпање спинском изменом. Ово истраживање истиче напредак у технологији чврстофазних ласера, посебно у блиском инфрацрвеном спектру, који је кључан за примене попут медицинског снимања и телекомуникација.
Додатно читање:Чврстостајни ласер блиског инфрацрвеног зрачења за оптичко пумпање спинском изменом
2. Полупроводнички ласери
·Опште информације: Типично електрично пумпани, полупроводнички ласери такође могу имати користи од оптичког пумпања, посебно у применама које захтевају високу осветљеност, као што су вертикални ласери са површинским емитовањем са спољне шупљине (VECSEL).
·Недавни развој: Рад У. Келера на оптичким фреквентним чешљевима из ултрабрзих чврстих и полупроводничких ласера пружа увид у генерисање стабилних фреквентних чешљева из чврстих и полупроводничких ласера пумпаних диодама. Овај напредак је значајан за примене у оптичкој фреквентној метрологији.
Додатно читање:Оптички фреквентни чешљеви из ултрабрзих чврстих и полупроводничких ласера
3. Гасни ласери
·Оптичко пумпање у гасним ласерима: Одређене врсте гасних ласера, попут ласера са алкалним парама, користе оптичко пумпање. Ови ласери се често користе у апликацијама које захтевају кохерентне изворе светлости са специфичним својствима.
Извори за оптичко пумпање
Пражњење лампиУобичајене код ласера са лампама, лампе са пражњењем се користе због своје велике снаге и широког спектра. ЈА Мандрико и др. развили су модел снаге генерисања импулсног лучног пражњења у ксенонским лампама са оптичким пумпањем активног медијума чврстих ласера. Овај модел помаже у оптимизацији перформанси импулсних лампи са пумпањем, што је кључно за ефикасан рад ласера.
Ласерске диоде:Коришћене у ласерима са диодном пумпом, ласерске диоде нуде предности попут високе ефикасности, компактне величине и могућности финог подешавања.
Додатно читање:Шта је ласерска диода?
БлицевиБљесковити извори светлости су интензивни извори светлости широког спектра који се обично користе за пумпање чврстих ласера, као што су рубински или Nd:YAG ласери. Оне пружају високоинтензитетни талас светлости који побуђује ласерски медијум.
Лучне лампеСлично бљескалицама, али дизајниране за континуирани рад, лучне лампе нуде сталан извор интензивне светлости. Користе се у применама где је потребан рад ласера са континуалним таласом (CW).
ЛЕД диоде (светлеће диоде)Иако нису толико уобичајене као ласерске диоде, ЛЕД диоде се могу користити за оптичко пумпање у одређеним применама мале снаге. Оне су предне због свог дугог века трајања, ниске цене и доступности у различитим таласним дужинама.
Сунчева светлостУ неким експерименталним поставкама, концентрована сунчева светлост је коришћена као извор пумпе за ласере пумпане соларном енергијом. Ова метода користи соларну енергију, што је чини обновљивим и исплативим извором, иако је мање контролисана и мање интензивна у поређењу са вештачким изворима светлости.
Ласерске диоде са оптичким спрегамаТо су ласерске диоде повезане са оптичким влакнима, које ефикасније испоручују пумпну светлост ласерском медијуму. Ова метода је посебно корисна код влакнастих ласера и у ситуацијама где је прецизна испорука пумпне светлости кључна.
Остали ласериПонекад се један ласер користи за пумпање другог. На пример, Nd:YAG ласер са удвострученом фреквенцијом може се користити за пумпање ласера са бојом. Ова метода се често користи када су потребне специфичне таласне дужине за процес пумпања, што се не може лако постићи конвенционалним изворима светлости.
Диодно пумпани чврсти ласер
Почетни извор енергијеПроцес почиње диодним ласером, који служи као извор пумпе. Диодни ласери су одабрани због своје ефикасности, компактне величине и способности да емитују светлост на одређеним таласним дужинама.
Светло пумпе:Диодни ласер емитује светлост коју апсорбује чврсти медијум за појачање. Таласна дужина диодног ласера је прилагођена карактеристикама апсорпције медијума за појачање.
ТврдостајниСредње појачање
Материјал:Медијум за појачање у DPSS ласерима је обично чврсти материјал као што је Nd:YAG (неодимијумом допирани итријум алуминијум гранат), Nd:YVO4 (неодимијумом допирани итријум ортованадат) или Yb:YAG (итербијумом допирани итријум алуминијум гранат).
Допинг:Ови материјали су допирани јонима ретких земаља (као што су Nd или Yb), који су активни ласерски јони.
Апсорпција енергије и побуђивање:Када пумпајућа светлост из диодног ласера уђе у медијум за појачање, јони ретких земаља апсорбују ову енергију и побуђују се у виша енергетска стања.
Инверзија популације
Постизање инверзије популације:Кључ деловања ласера је постизање инверзије насељености у медијуму појачања. То значи да се више јона налази у побуђеном стању него у основном стању.
Стимулисана емисија:Када се постигне инверзија популације, увођење фотона који одговара енергетској разлици између побуђеног и основног стања може стимулисати побуђене јоне да се врате у основно стање, емитујући фотон у том процесу.
Оптички резонатор
Огледала: Медијум за појачање се налази унутар оптичког резонатора, обично формираног од два огледала на сваком крају медијума.
Повратна спрега и појачавање: Једно од огледала је високо рефлектујуће, а друго је делимично рефлектујуће. Фотони се одбијају напред-назад између ових огледала, стимулишући више емисија и појачавајући светлост.
Ласерска емисија
Кохерентна светлост: Фотони који се емитују су кохерентни, што значи да су у фази и имају исту таласну дужину.
Излаз: Делимично рефлектујуће огледало пропушта део ове светлости, формирајући ласерски зрак који излази из DPSS ласера.
Геометрије пумпања: Бочно наспрам крајњег пумпања
| Метод пумпања | Опис | Апликације | Предности | Изазови |
|---|---|---|---|---|
| Бочно пумпање | Светлост пумпе уведена нормално на ласерски медијум | Штапни или влакнасти ласери | Равномерна расподела светлости пумпе, погодна за примене велике снаге | Неуједначена расподела појачања, квалитет нижег снопа |
| Крај пумпања | Светлост пумпе усмерена дуж исте осе као и ласерски зрак | Чврстофазни ласери попут Nd:YAG | Равномерна расподела појачања, већи квалитет снопа | Комплексно поравнање, мање ефикасно одвођење топлоте код ласера велике снаге |
Захтеви за ефикасно светло пумпе
| Захтев | Значај | Утицај/Равнотежа | Додатне напомене |
|---|---|---|---|
| Погодност спектра | Таласна дужина мора да одговара апсорпционом спектру ласерског медијума | Обезбеђује ефикасну апсорпцију и ефективну инверзију популације | - |
| Интензитет | Мора бити довољно висок за жељени ниво побуђења | Превише високи интензитети могу изазвати термичка оштећења; прениски неће постићи инверзију популације | - |
| Квалитет греде | Посебно критично код ласера са крајњим пумпањем | Обезбеђује ефикасно повезивање и доприноси квалитету емитованог ласерског зрака | Квалитет дугог снопа је кључан за прецизно преклапање светлости пумпе и запремине ласерског режима |
| Поларизација | Потребно за медије са анизотропним својствима | Повећава ефикасност апсорпције и може утицати на поларизацију емитоване ласерске светлости | Може бити потребно специфично стање поларизације |
| Интензитет шума | Низак ниво буке је кључан | Флуктуације у интензитету светлости пумпе могу утицати на квалитет и стабилност ласерског излаза | Важно за примене које захтевају високу стабилност и прецизност |
Време објаве: 01.12.2023.