Abonner på vores sociale medier for hurtige opslag
I sin kerne er laserpumping processen med at aktivere et medium for at opnå en tilstand, hvor det kan udsende laserlys. Dette gøres typisk ved at injicere lys eller elektrisk strøm i mediet, excitere dets atomer og føre til udsendelse af kohærent lys. Denne grundlæggende proces har udviklet sig betydeligt siden fremkomsten af de første lasere i midten af det 20. århundrede.
Selvom laserpumping ofte modelleres ved hjælp af hastighedsligninger, er det fundamentalt set en kvantemekanisk proces. Det involverer indviklede interaktioner mellem fotoner og forstærkningsmediets atomare eller molekylære struktur. Avancerede modeller tager højde for fænomener som Rabi-oscillationer, hvilket giver en mere nuanceret forståelse af disse interaktioner.
Laserpumping 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 populationsinversion, 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 rammeværker. Nøgleaspekter inkluderer valg af pumpekilde (som laserdioder eller udladningslamper), pumpegeometri (side- eller endepumpning) og optimering af pumpelysegenskaber (spektrum, intensitet, strålekvalitet, polarisering) for at matche de specifikke krav i forstærkningsmediet. Laserpumping er fundamental i forskellige lasertyper, herunder faststof-, halvleder- og gaslasere, og er afgørende for laserens effektive drift.
Varianter af optisk pumpede lasere
1. Faststoflasere med dopede isolatorer
· Oversigt:Disse lasere bruger et elektrisk isolerende værtsmedium og er afhængige af optisk pumpning til at aktivere laseraktive ioner. Et almindeligt eksempel er neodym i YAG-lasere.
·Nyere forskning:En undersøgelse foretaget af A. Antipov et al. diskuterer en faststoflaser i nær-infrarød tilstand til spin-udvekslings optisk pumpning. Denne forskning fremhæver fremskridtene inden for faststoflaserteknologi, især inden for det nær-infrarøde spektrum, hvilket er afgørende for anvendelser som medicinsk billeddannelse og telekommunikation.
Yderligere læsning:En faststoflaser nær-IR til spin-udveksling optisk pumpning
2. Halvlederlasere
·Generel information: Halvlederlasere, der typisk pumpes elektrisk, kan også drage fordel af optisk pumpning, især i applikationer, der kræver høj lysstyrke, såsom vertikale eksterne hulrumsoverfladeemitterende lasere (VECSEL'er).
·Nylige udviklinger: U. Kellers arbejde med optiske frekvenskamme fra ultrahurtige faststof- og halvlederlasere giver indsigt i genereringen af stabile frekvenskamme fra diodepumpede faststof- og halvlederlasere. Denne udvikling er betydelig for anvendelser inden for optisk frekvensmetrologi.
Yderligere læsning:Optiske frekvenskamme fra ultrahurtige faststof- og halvlederlasere
3. Gaslasere
·Optisk pumpning i gaslasere: Visse typer gaslasere, såsom alkalidamplasere, anvender optisk pumpning. Disse lasere bruges ofte i applikationer, der kræver kohærente lyskilder med specifikke egenskaber.
Kilder til optisk pumpning
UdladningslamperUdladningslamper, der er almindelige i lampepumpede lasere, anvendes på grund af deres høje effekt og brede spektrum. YA Mandryko et al. udviklede en effektmodel for generering af impulsbueudladning i xenonlamper med aktivt medieoptisk pumpning i faststoflasere. Denne model hjælper med at optimere ydeevnen af impulspumpelamper, hvilket er afgørende for effektiv laserdrift.
Laserdioder:Laserdioder, der anvendes i diodepumpede lasere, tilbyder fordele som høj effektivitet, kompakt størrelse og evnen til at blive finjusteret.
Yderligere læsning:Hvad er en laserdiode?
BlitzlamperBlitzlamper er intense, bredspektrede lyskilder, der almindeligvis bruges til at pumpe faststoflasere, såsom rubin- eller Nd:YAG-lasere. De giver et højintensivt lysudbrud, der exciterer lasermediet.
BuelamperLigesom blitzlamper, men designet til kontinuerlig drift, tilbyder buelamper en stabil kilde til intenst lys. De bruges i applikationer, hvor kontinuerlig bølge (CW) laserdrift er påkrævet.
LED'er (lysdioder)Selvom de ikke er så almindelige som laserdioder, kan LED'er bruges til optisk pumpning i visse lavenergiapplikationer. De er fordelagtige på grund af deres lange levetid, lave omkostninger og tilgængelighed i forskellige bølgelængder.
SollysI nogle eksperimentelle opsætninger 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 laserdioderDisse 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 lasereNogle gange bruges én laser til at pumpe en anden. For eksempel kan en frekvensfordoblet Nd:YAG-laser bruges til at pumpe en farvestoflaser. Denne metode bruges ofte, når specifikke bølgelængder er nødvendige for pumpeprocessen, hvilket ikke let kan opnås med konventionelle lyskilder.
Diodepumpet faststoflaser
Oprindelig energikildeProcessen starter med en diodelaser, der fungerer som pumpekilde. Diodelasere vælges for deres effektivitet, kompakte størrelse og evne til at udsende lys ved bestemte bølgelængder.
Pumpelys:Diodelaseren udsender lys, der absorberes af faststofforstærkningsmediet. Diodelaserens bølgelængde er skræddersyet til at matche forstærkningsmediets absorptionsegenskaber.
FaststofForstærkningsmedium
Materiale:Forstærkningsmediet i DPSS-lasere er typisk et faststofmateriale som Nd:YAG (neodym-dopet yttriumaluminiumgranat), Nd:YVO4 (neodym-dopet yttriumorthovanadat) eller Yb:YAG (ytterbium-dopet yttriumaluminiumgranat).
Doping:Disse materialer er doteret 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 exciteres til højere energitilstande.
Befolkningsinversion
Opnåelse af populationsinversion:Nøglen til laserens virkning er at opnå en populationsinversion i forstærkningsmediet. Det betyder, at flere ioner er i en exciteret tilstand end i grundtilstanden.
Stimuleret emission:Når populationsinversion er opnået, kan introduktionen af en foton svarende til energiforskellen mellem den exciterede tilstand 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: Det ene spejl er meget reflekterende, og det andet er delvist reflekterende. Fotoner hopper frem og tilbage mellem disse spejle, stimulerer flere emissioner og forstærker lyset.
Laseremission
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. endepumpning
| Pumpemetode | Beskrivelse | Applikationer | Fordele | Udfordringer |
|---|---|---|---|---|
| Sidepumpning | Pumpelys introduceret vinkelret på lasermediet | Stang- eller fiberlasere | Ensartet fordeling af pumpelys, egnet til højeffektapplikationer | Ujævn forstærkningsfordeling, lavere strålekvalitet |
| Slutpumpning | Pumpelys rettet langs samme akse som laserstrålen | Faststoflasere som Nd:YAG | Ensartet forstærkningsfordeling, højere strålekvalitet | Kompleks justering, mindre effektiv varmeafledning i højtydende lasere |
Krav til effektivt pumpelys
| Krav | Betydning | Indvirkning/Balance | Yderligere bemærkninger |
|---|---|---|---|
| Spektrumegnethed | Bølgelængden skal matche 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 lave vil ikke opnå populationsinversion | - |
| Strålekvalitet | Særligt kritisk i endpumpede lasere | Sikrer effektiv kobling og bidrager til kvaliteten af den udsendte laserstråle | Højstrålekvalitet er afgørende for præcis overlapning af pumpelys og lasermodusvolumen |
| Polarisering | Kræves til medier med anisotrope egenskaber | Forbedrer absorptionseffektiviteten og kan påvirke polariseringen af udsendt laserlys | Specifik polarisationstilstand kan være nødvendig |
| Intensitetsstøj | Lavt støjniveau er afgørende | Udsving i pumpens lysintensitet kan påvirke laserens outputkvalitet og stabilitet | Vigtigt for applikationer, der kræver høj stabilitet og præcision |
Opslagstidspunkt: 1. december 2023