Abonner på vores sociale medier for et hurtigt indlæg
I sin essens er laserpumpning processen med at aktivere et medium for at opnå en tilstand, hvor det kan udsende laserlys. Dette gøres typisk ved at indsprøjte lys eller elektrisk strøm ind i mediet, spændende dets atomer og føre til udsendelse af sammenhængende lys. Denne grundlæggende proces har udviklet sig betydeligt siden fremkomsten af de første lasere i midten af det 20. århundrede.
Selvom laserpumpning ofte er modelleret ved hastighedsligninger, er den grundlæggende en kvantemekanisk proces. Det involverer indviklede interaktioner mellem fotoner og forstærkningsmediets atomare eller molekylære struktur. Avancerede modeller overvejer fænomener som Rabi-oscillationer, som giver en mere nuanceret forståelse af disse interaktioner.
Laserpumpning er en proces, hvor energi, typisk i form af lys eller elektrisk strøm, tilføres en lasers forstærkningsmedium for at hæve dens atomer eller molekyler til højere energitilstande. Denne energioverførsel er afgørende for at opnå befolkningsinversion, en tilstand hvor flere partikler exciteres end i en lavere energitilstand, hvilket gør det muligt for mediet at forstærke lys via stimuleret emission. Processen involverer indviklede kvanteinteraktioner, ofte modelleret gennem hastighedsligninger eller mere avancerede kvantemekaniske rammer. Nøgleaspekter omfatter valget af pumpekilde (som laserdioder eller udladningslamper), pumpegeometri (side- eller endepumpning) og optimering af pumpens lyskarakteristika (spektrum, intensitet, strålekvalitet, polarisering) for at matche de specifikke krav i vinde medium. Laserpumpning er grundlæggende i forskellige lasertyper, herunder solid-state-, halvleder- og gaslasere, og er afgørende for laserens effektive og effektive drift.
Varianter af optisk pumpede lasere
1. Solid-state lasere med dopede isolatorer
· Oversigt:Disse lasere bruger et elektrisk isolerende værtsmedium og er afhængige af optisk pumpning for at aktivere laseraktive ioner. Et almindeligt eksempel er neodym i YAG-lasere.
·Nylig forskning:En undersøgelse af A. Antipov et al. diskuterer en solid-state nær-IR-laser til spin-exchange optisk pumpning. Denne forskning fremhæver fremskridtene inden for solid-state laserteknologi, især i det nær-infrarøde spektrum, som er afgørende for applikationer som medicinsk billedbehandling og telekommunikation.
Yderligere læsning:En solid-state nær-IR-laser til optisk pumpning med spin-udveksling
2. Halvlederlasere
·Generelle oplysninger: Halvlederlasere, som typisk er elektrisk pumpede, kan også drage fordel af optisk pumpning, især i applikationer, der kræver høj lysstyrke, såsom Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSEL'er).
·Seneste udviklinger: U. Kellers arbejde med optiske frekvenskamme fra ultrahurtige solid-state- og halvlederlasere giver indsigt i genereringen af stabile frekvenskamme fra diodepumpede solid-state- og halvlederlasere. Dette fremskridt er væsentligt for applikationer inden for optisk frekvensmetrologi.
Yderligere læsning:Optiske frekvenskamme fra ultrahurtige solid-state og halvlederlasere
3. Gaslasere
·Optisk pumpning i gaslasere: Visse typer gaslasere, såsom alkalidamplasere, anvender optisk pumpning. Disse lasere bruges ofte i applikationer, der kræver sammenhængende lyskilder med specifikke egenskaber.
Kilder til optisk pumpning
Afladningslamper: Almindelig i lampepumpede lasere bruges udladningslamper på grund af deres høje effekt og brede spektrum. YA Mandryko et al. udviklet en strømmodel for generering af impulsbueudladning i aktive medier, optisk pumpende xenonlamper af solid-state lasere. Denne model hjælper med at optimere ydeevnen af impulspumpende lamper, hvilket er afgørende for effektiv laserdrift.
Laser dioder:Brugt i diodepumpede lasere giver laserdioder fordele som høj effektivitet, kompakt størrelse og evnen til at blive finjusteret.
Yderligere læsning:hvad er en laserdiode?
Flash lamper: Flash-lamper er intense, bredspektrede lyskilder, der almindeligvis bruges til at pumpe faststoflasere, såsom rubin- eller Nd:YAG-lasere. De giver et lysudbrud med høj intensitet, der exciterer lasermediet.
Bue lamper: Ligesom blitzlamper, men designet til kontinuerlig drift, tilbyder buelamper en konstant kilde til intenst lys. De bruges i applikationer, hvor kontinuerlig bølgelaserdrift (CW) er påkrævet.
LED'er (lysemitterende dioder): Selvom det ikke er så almindeligt som laserdioder, kan LED'er bruges til optisk pumpning i visse laveffektapplikationer. De er fordelagtige på grund af deres lange levetid, lave omkostninger og tilgængelighed i forskellige bølgelængder.
Sollys: I nogle forsøgsopstillinger er koncentreret sollys blevet brugt som pumpekilde til solpumpede lasere. Denne metode udnytter solenergi, hvilket gør den til en vedvarende og omkostningseffektiv kilde, selvom den er mindre kontrollerbar og mindre intens sammenlignet med kunstige lyskilder.
Fiberkoblede laserdioder: Disse er laserdioder koblet til optiske fibre, som leverer pumpelyset mere effektivt til lasermediet. Denne metode er især nyttig i fiberlasere og i situationer, hvor præcis levering af pumpelys er afgørende.
Andre lasere: Nogle gange bruges en laser til at pumpe en anden. For eksempel kan en frekvens-doblet Nd: YAG-laser bruges til at pumpe en farvelaser. Denne metode bruges ofte, når der kræves specifikke bølgelængder til pumpeprocessen, som ikke let opnås med konventionelle lyskilder.
Diodepumpet solid-state laser
Indledende energikilde: Processen starter med en diodelaser, som fungerer som pumpekilde. Diodelasere er valgt for deres effektivitet, kompakte størrelse og evne til at udsende lys ved specifikke bølgelængder.
Pumpelys:Diodelaseren udsender lys, der absorberes af solid-state forstærkningsmediet. Diodelaserens bølgelængde er skræddersyet til at matche forstærkningsmediets absorptionsegenskaber.
Fast tilstandForstærkning medium
Materiale:Forstærkningsmediet i DPSS-lasere er typisk et solid-state materiale som Nd:YAG (Neodymium-doteret Yttrium Aluminium Granat), Nd:YVO4 (Neodym-doteret Yttrium Orthovanadate) eller Yb:YAG (Ytterbium-dopet Yttrium Aluminium Granat).
Doping:Disse materialer er dopet med sjældne jordarters ioner (som Nd eller Yb), som er de aktive laserioner.
Energiabsorption og excitation:Når pumpelyset fra diodelaseren kommer ind i forstærkningsmediet, absorberer de sjældne jordarters ioner denne energi og bliver ophidset til højere energitilstande.
Befolkningsinversion
Opnå befolkningsinversion:Nøglen til laserhandling er at opnå en populationsinversion i forstærkningsmediet. Det betyder, at flere ioner er i en exciteret tilstand end i grundtilstanden.
Stimuleret emission:Når først populationsinversion er opnået, kan introduktionen af en foton svarende til energiforskellen mellem den exciterede og grundtilstanden stimulere de exciterede ioner til at vende tilbage til grundtilstanden og udsende en foton i processen.
Optisk resonator
Spejle: Forstærkningsmediet er placeret inde i en optisk resonator, typisk dannet af to spejle i hver ende af mediet.
Feedback og forstærkning: Et af spejlene er stærkt reflekterende, og det andet er delvist reflekterende. Fotoner hopper frem og tilbage mellem disse spejle, stimulerer flere emissioner og forstærker lyset.
Laser emission
Kohærent lys: De fotoner, der udsendes, er kohærente, hvilket betyder, at de er i fase og har samme bølgelængde.
Output: Det delvist reflekterende spejl tillader noget af dette lys at passere igennem og danner laserstrålen, der forlader DPSS-laseren.
Pumpegeometrier: Side- vs. End-pumpning
| Pumpemetode | Beskrivelse | Ansøgninger | Fordele | Udfordringer |
|---|---|---|---|---|
| Side pumpning | Pumpelys introduceret vinkelret på lasermediet | Stang- eller fiberlasere | Ensartet fordeling af pumpelys, velegnet til højeffektapplikationer | Uensartet forstærkningsfordeling, lavere strålekvalitet |
| Afslut pumpning | Pumpelys rettet langs samme akse som laserstrålen | Solid-state lasere som Nd:YAG | Ensartet forstærkningsfordeling, højere strålekvalitet | Kompleks justering, mindre effektiv varmeafledning i højeffektlasere |
Krav til effektivt pumpelys
| Krav | Betydning | Indvirkning/Balance | Yderligere bemærkninger |
|---|---|---|---|
| Spektrum egnethed | Bølgelængden skal svare til lasermediets absorptionsspektrum | Sikrer effektiv absorption og effektiv populationsinversion | - |
| Intensitet | Skal være høj nok til det ønskede excitationsniveau | For høje intensiteter kan forårsage termisk skade; for lav vil ikke opnå befolkningsinversion | - |
| Strålekvalitet | Særligt kritisk i slutpumpede lasere | Sikrer effektiv kobling og bidrager til udsendt laserstrålekvalitet | Høj strålekvalitet er afgørende for præcis overlapning af pumpelys og lasertilstandsvolumen |
| Polarisering | Nødvendig til medier med anisotrope egenskaber | Forbedrer absorptionseffektiviteten og kan påvirke polarisering af udsendt laserlys | Specifik polarisationstilstand kan være nødvendig |
| Intensitet Støj | Lavt støjniveau er afgørende | Udsving i pumpens lysintensitet kan påvirke laseroutputkvaliteten og stabiliteten | Vigtig til applikationer, der kræver høj stabilitet og præcision |
Posttid: Dec-01-2023