Абонирайте се за нашите социални медии за бърза публикация
По своята същност лазерното изпомпване е процес на енергизиране на среда, за да се постигне състояние, в което тя може да излъчва лазерна светлина. Това обикновено се прави чрез инжектиране на светлина или електрически ток в средата, възбуждайки нейните атоми и водещо до излъчване на кохерентна светлина. Този основополагащ процес се разви значително след появата на първите лазери в средата на 20 век.
Въпреки че често се моделира чрез уравнения на скоростта, лазерното изпомпване е фундаментално квантов механичен процес. Това включва сложни взаимодействия между фотоните и атомната или молекулярната структура на усилващата среда. Усъвършенстваните модели разглеждат явления като трептенията на Раби, които осигуряват по-нюансирано разбиране на тези взаимодействия.
Лазерното изпомпване е процес, при който енергия, обикновено под формата на светлина или електрически ток, се подава към усилващата среда на лазера, за да издигне неговите атоми или молекули до по-високи енергийни състояния. Този трансфер на енергия е от решаващо значение за постигане на инверсия на населението, състояние, при което повече частици се възбуждат, отколкото в състояние с по-ниска енергия, което позволява на средата да усилва светлината чрез стимулирано излъчване. Процесът включва сложни квантови взаимодействия, често моделирани чрез скоростни уравнения или по-напреднали квантовомеханични рамки. Ключовите аспекти включват избор на източник на помпа (като лазерни диоди или газоразрядни лампи), геометрия на помпата (странично или крайно изпомпване) и оптимизиране на характеристиките на светлината на помпата (спектър, интензитет, качество на лъча, поляризация), за да отговарят на специфичните изисквания на печалба средно. Лазерното изпомпване е основно в различни видове лазери, включително твърдотелни, полупроводникови и газови лазери, и е от съществено значение за ефективната и ефективна работа на лазера.
Разновидности на лазери с оптично изпомпване
1. Твърдотелни лазери с легирани изолатори
· Преглед:Тези лазери използват електрически изолираща хост среда и разчитат на оптично изпомпване за енергизиране на лазерно активни йони. Често срещан пример е неодимът в YAG лазерите.
·Скорошни изследвания:Проучване на А. Антипов и др. обсъжда твърдотелен близък инфрачервен лазер за оптично изпомпване със спин-обмен. Това изследване подчертава напредъка в лазерната технология в твърдо състояние, особено в близкия инфрачервен спектър, който е от решаващо значение за приложения като медицински изображения и телекомуникации.
Допълнителна литература:Твърдотелен близък инфрачервен лазер за оптично изпомпване със спинов обмен
2. Полупроводникови лазери
·Обща информация: Обикновено с електрическо изпомпване, полупроводниковите лазери могат да се възползват и от оптично изпомпване, особено в приложения, изискващи висока яркост, като повърхностно излъчващи лазери с вертикална външна кухина (VECSEL).
·Последни разработки: Работата на U. Keller върху оптичните честотни гребени от свръхбързи твърдотелни и полупроводникови лазери дава представа за генерирането на стабилни честотни гребени от диодно изпомпвани твърдотелни и полупроводникови лазери. Този напредък е важен за приложения в оптичната честотна метрология.
Допълнителна литература:Оптични честотни гребени от ултрабързи твърдотелни и полупроводникови лазери
3. Газови лазери
·Оптично изпомпване в газови лазери: Някои видове газови лазери, като лазери с алкални пари, използват оптично изпомпване. Тези лазери често се използват в приложения, изискващи кохерентни източници на светлина със специфични свойства.
Източници за оптично изпомпване
Газоразрядни лампи: Често срещани в лазерите с лампово изпомпване, газоразрядните лампи се използват заради тяхната висока мощност и широк спектър. YA Mandryko и др. разработи енергиен модел на генериране на импулсен дъгов разряд в активни среди оптични изпомпващи ксенонови лампи на твърдотелни лазери. Този модел спомага за оптимизиране на работата на лампите с импулсно изпомпване, което е от решаващо значение за ефективната работа на лазера.
Лазерни диоди:Използвани в лазери с диодна помпа, лазерните диоди предлагат предимства като висока ефективност, компактен размер и възможност за фина настройка.
Допълнително четене:какво е лазерен диод?
Светкавични лампи: Светкавичните лампи са източници на интензивна широкоспектърна светлина, които обикновено се използват за изпомпване на твърдотелни лазери, като рубинени или Nd:YAG лазери. Те осигуряват изблик на светлина с висок интензитет, който възбужда лазерната среда.
Дъгови лампи: Подобно на светкавичните лампи, но предназначени за продължителна работа, дъговите лампи предлагат постоянен източник на интензивна светлина. Те се използват в приложения, където се изисква лазерна работа с непрекъсната вълна (CW).
Светодиоди (светодиоди): Въпреки че не са толкова често срещани като лазерните диоди, светодиодите могат да се използват за оптично изпомпване в определени приложения с ниска мощност. Те имат предимство поради дългия си живот, ниската цена и наличността в различни дължини на вълните.
Слънчева светлина: В някои експериментални настройки концентрираната слънчева светлина е използвана като източник на помпа за лазери със слънчева помпа. Този метод използва слънчевата енергия, което я прави възобновяем и рентабилен източник, въпреки че е по-малко контролируем и по-малко интензивен в сравнение с изкуствените източници на светлина.
Влакнесто-свързани лазерни диоди: Това са лазерни диоди, свързани с оптични влакна, които доставят светлината на помпата по-ефективно към лазерната среда. Този метод е особено полезен при оптични лазери и в ситуации, при които прецизното доставяне на светлина на помпата е от решаващо значение.
Други лазери: Понякога един лазер се използва за изпомпване на друг. Например, Nd: YAG лазер с удвоена честота може да се използва за изпомпване на лазер за багрило. Този метод често се използва, когато са необходими специфични дължини на вълните за процеса на изпомпване, което не се постига лесно с конвенционалните светлинни източници.
Твърдотелен лазер с диодна помпа
Първоначален източник на енергия: Процесът започва с диоден лазер, който служи като източник на помпа. Диодните лазери се избират заради тяхната ефективност, компактен размер и способност да излъчват светлина при определени дължини на вълната.
Светлина на помпата:Диодният лазер излъчва светлина, която се абсорбира от усилващата среда в твърдо състояние. Дължината на вълната на диодния лазер е пригодена да съответства на абсорбционните характеристики на усилващата среда.
Твърдо състояниеПечалба Средна
материал:Усилващата среда в DPSS лазерите обикновено е материал в твърдо състояние като Nd:YAG (легиран с неодим итриев алуминиев гранат), Nd:YVO4 (легиран с неодим итриев ортованадат) или Yb:YAG (легиран с итербий итриев алуминиев гранат).
Допинг:Тези материали са легирани с редкоземни йони (като Nd или Yb), които са активните лазерни йони.
Енергийна абсорбция и възбуждане:Когато светлината на помпата от диодния лазер навлезе в усилващата среда, редкоземните йони абсорбират тази енергия и се възбуждат до по-високи енергийни състояния.
Инверсия на населението
Постигане на инверсия на населението:Ключът към лазерното действие е постигането на инверсия на населението в усилващата среда. Това означава, че повече йони са във възбудено състояние, отколкото в основно състояние.
Стимулирана емисия:След като се постигне инверсия на населението, въвеждането на фотон, съответстващ на енергийната разлика между възбуденото и основното състояние, може да стимулира възбудените йони да се върнат в основното състояние, излъчвайки фотон в процеса.
Оптичен резонатор
Огледала: Усилващата среда се поставя вътре в оптичен резонатор, обикновено образуван от две огледала във всеки край на средата.
Обратна връзка и усилване: Едно от огледалата е силно отразяващо, а другото е частично отразяващо. Фотоните отскачат напред-назад между тези огледала, стимулирайки повече емисии и усилвайки светлината.
Лазерно излъчване
Кохерентна светлина: Фотоните, които се излъчват, са кохерентни, което означава, че са във фаза и имат еднаква дължина на вълната.
Изход: частично отразяващото огледало позволява на част от тази светлина да премине, образувайки лазерния лъч, който излиза от DPSS лазера.
Геометрии на изпомпване: Странично срещу крайно изпомпване
| Метод на изпомпване | Описание | Приложения | Предимства | Предизвикателства |
|---|---|---|---|---|
| Странично изпомпване | Светлината на помпата се въвежда перпендикулярно на лазерната среда | Пръчковидни или влакнести лазери | Равномерно разпределение на светлината на помпата, подходящо за приложения с висока мощност | Неравномерно разпределение на усилването, по-ниско качество на лъча |
| Край на изпомпването | Светлината на помпата е насочена по същата ос като лазерния лъч | Твърдотелни лазери като Nd:YAG | Равномерно разпределение на усилването, по-високо качество на лъча | Сложно подравняване, по-малко ефективно разсейване на топлината при лазери с висока мощност |
Изисквания за ефективна светлина на помпата
| Изискване | Важност | Въздействие/Баланс | Допълнителни бележки |
|---|---|---|---|
| Пригодност на спектъра | Дължината на вълната трябва да съответства на спектъра на поглъщане на лазерната среда | Осигурява ефективно усвояване и ефективна инверсия на населението | - |
| Интензивност | Трябва да е достатъчно високо за желаното ниво на възбуждане | Прекалено високите интензитети могат да причинят термично увреждане; твърде ниското няма да постигне инверсия на населението | - |
| Качество на лъча | Особено критичен при лазери с крайно изпомпване | Осигурява ефективно свързване и допринася за качеството на излъчвания лазерен лъч | Високото качество на лъча е от решаващо значение за прецизното припокриване на светлината на помпата и обема на лазерния режим |
| Поляризация | Изисква се за среди с анизотропни свойства | Подобрява ефективността на абсорбиране и може да повлияе на поляризацията на излъчваната лазерна светлина | Може да е необходимо специфично състояние на поляризация |
| Интензитет на шума | Ниските нива на шум са от решаващо значение | Флуктуациите в интензитета на светлината на помпата могат да повлияят на качеството и стабилността на лазерния изход | Важно за приложения, изискващи висока стабилност и прецизност |
Време на публикуване: 1 декември 2023 г