Абонирайте се за нашите социални медии за бързи публикации
По същество, лазерното напомпване е процес на захранване 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, възбуждане на нейните атоми и водещо до излъчване на кохерентна светлина. Този фундаментален процес се е развил значително от появата на първите лазери в средата на 20-ти век.
Въпреки че често се моделира чрез уравнения за скоростта, лазерното напомпване е фундаментално квантово-механичен процес. Той включва сложни взаимодействия между фотоните и атомната или молекулярната структура на усилващата среда. Усъвършенстваните модели разглеждат явления като осцилациите на Раби, които предоставят по-нюансирано разбиране на тези взаимодействия.
Лазерното напомпване е процес, при който енергия, обикновено под формата на светлина или електрически ток, се подава към усилващата среда на лазера, за да повиши неговите атоми или молекули до по-високи енергийни състояния. Този пренос на енергия е от решаващо значение за постигане на инверсия на популацията, състояние, при което се възбуждат повече частици, отколкото в по-ниско енергийно състояние, което позволява на средата да усилва светлината чрез стимулирано излъчване. Процесът включва сложни квантови взаимодействия, често моделирани чрез уравнения за скоростта или по-напреднали квантово-механични рамки. Ключовите аспекти включват избора на източник на помпа (като лазерни диоди или газоразрядни лампи), геометрията на помпата (странично или крайно напомпване) и оптимизирането на характеристиките на светлината на помпата (спектър, интензитет, качество на лъча, поляризация), за да отговарят на специфичните изисквания на усилващата среда. Лазерното напомпване е фундаментално в различните видове лазери, включително твърдотелни, полупроводникови и газови лазери, и е от съществено значение за ефикасната и ефективна работа на лазера.
Разновидности на оптично напомпвани лазери
1. Твърдотелни лазери с легирани изолатори
· Общ преглед:Тези лазери използват електрически изолираща среда и разчитат на оптично напомпване, за да захранват лазерно активни йони. Често срещан пример е неодимът в YAG лазерите.
·Последни изследвания:Проучване на А. Антипов и др. обсъжда твърдотелен лазер в близката инфрачервена област за спин-обменна оптична помпа. Това изследване подчертава напредъка в технологията на твърдотелните лазери, особено в близкия инфрачервен спектър, който е от решаващо значение за приложения като медицинско изобразяване и телекомуникации.
Допълнително четиво:Твърдотелен лазер в близката инфрачервена област за оптично напомпване със спинов обмен
2. Полупроводникови лазери
·Обща информация: Обикновено електрически напомпваните, полупроводниковите лазери могат да се възползват и от оптично напомпване, особено в приложения, изискващи висока яркост, като например вертикални лазери с повърхностно излъчване с външна кухина (VECSEL).
·Последни разработки: Работата на У. Келер върху оптични честотни гребени от ултрабързи твърдотелни и полупроводникови лазери предоставя информация за генерирането на стабилни честотни гребени от диодно напомпвани твърдотелни и полупроводникови лазери. Този напредък е важен за приложенията в оптичната честотна метрология.
Допълнително четиво:Оптични честотни гребени от ултрабързи твърдотелни и полупроводникови лазери
3. Газови лазери
·Оптично напомпване в газови лазери: Някои видове газови лазери, като лазерите с алкални пари, използват оптично напомпване. Тези лазери често се използват в приложения, изискващи кохерентни източници на светлина със специфични свойства.
Източници за оптично изпомпване
Газоразрядни лампиГазоразрядните лампи, често срещани в лазерите с лампово напомпване, се използват заради високата си мощност и широк спектър. Ю.А. Мандрико и др. разработиха силов модел за генериране на импулсен дъгов разряд в ксенонови лампи с оптично напомпване с активна среда на твърдотелни лазери. Този модел помага за оптимизиране на производителността на импулсните лампи с напомпване, което е от решаващо значение за ефективната работа на лазера.
Лазерни диоди:Използвани в диодно-помпани лазери, лазерните диоди предлагат предимства като висока ефективност, компактен размер и възможност за фина настройка.
Допълнително четиво:Какво е лазерен диод?
Светкавични лампиСветкавичните лампи са интензивни, широкоспектърни източници на светлина, които обикновено се използват за изпомпване на твърдотелни лазери, като рубинени или Nd:YAG лазери. Те осигуряват високоинтензивен светлинен импулс, който възбужда лазерната среда.
Дъгови лампиПодобно на импулсните лампи, но проектирани за непрекъсната работа, дъговите лампи предлагат постоянен източник на интензивна светлина. Те се използват в приложения, където е необходима работа с лазер с непрекъсната вълна (CW).
Светодиоди (LED)Макар и не толкова разпространени като лазерните диоди, светодиодите могат да се използват за оптично напомпване в определени приложения с ниска мощност. Те са предимства поради дългия си живот, ниската си цена и наличността в различни дължини на вълните.
Слънчева светлинаВ някои експериментални установки концентрирана слънчева светлина е била използвана като източник на помпа за лазери, напомпвани със слънчева енергия. Този метод използва слънчева енергия, което го прави възобновяем и рентабилен източник, въпреки че е по-малко контролируем и по-малко интензивен в сравнение с изкуствените източници на светлина.
Лазерни диоди, свързани с оптични влакнаТова са лазерни диоди, свързани с оптични влакна, които доставят помпената светлина по-ефективно към лазерната среда. Този метод е особено полезен при влакнести лазери и в ситуации, където прецизното доставяне на помпената светлина е от решаващо значение.
Други лазериПонякога един лазер се използва за изпомпване на друг. Например, Nd:YAG лазер с удвоена честота може да се използва за изпомпване на багрилен лазер. Този метод често се използва, когато са необходими специфични дължини на вълните за процеса на изпомпване, което не е лесно постижимо с конвенционални източници на светлина.
Диодно напомпван твърдотелен лазер
Първоначален източник на енергияПроцесът започва с диоден лазер, който служи като източник на помпа. Диодните лазери са избрани заради тяхната ефективност, компактен размер и способност да излъчват светлина с определени дължини на вълните.
Светлина на помпата:Диодният лазер излъчва светлина, която се абсорбира от твърдотелната усилваща среда. Дължината на вълната на диодния лазер е съобразена с абсорбционните характеристики на усилващата среда.
ТвърдотелниСредно усилване
Материал:Усилващата среда в DPSS лазерите обикновено е твърдотелен материал като Nd:YAG (неодим-легиран итриев алуминиев гранат), Nd:YVO4 (неодим-легиран итриев ортованадат) или Yb:YAG (итербий-легиран итриев алуминиев гранат).
Допинг:Тези материали са легирани с редкоземни йони (като Nd или Yb), които са активните лазерни йони.
Абсорбция и възбуждане на енергия:Когато помпената светлина от диодния лазер навлезе в усилващата среда, редкоземните йони абсорбират тази енергия и се възбуждат до по-високи енергийни състояния.
Инверсия на популацията
Постигане на инверсия на популацията:Ключът към лазерното действие е постигането на инверсия на популацията в усилващата среда. Това означава, че повече йони са във възбудено състояние, отколкото в основно състояние.
Стимулирана емисия:След като се постигне инверсия на популацията, 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: Едното от огледалата е силно отразяващо, а другото е частично отразяващо. Фотоните се отклоняват 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 напомпване | Помпена светлина, въведена перпендикулярно на лазерната среда | Пръчковидни или влакнести лазери | Равномерно разпределение на светлината на помпата, подходящо за приложения с висока мощност | Неравномерно разпределение на усилването, качество на по-ниския лъч |
| Край на изпомпването | Помпена светлина, 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 | Значение | Въздействие/Баланс | Допълнителни бележки |
|---|---|---|---|
| Пригодност на спектъра | Дължината на вълната трябва да съответства на абсорбционния спектър на лазерната среда | Осигурява ефикасно усвояване и ефективна инверсия на популацията | - |
| Интензитет | Трябва да е достатъчно високо за желаното ниво на възбуждане | Твърде високите интензитети могат да причинят термични щети; твърде ниските няма да постигнат инверсия на популацията. | - |
| Качество на лъча | Особено критично при лазери с напомпване на крайно напрежение | Осигурява ефективно свързване и допринася за качеството на излъчвания лазерен лъч | Качеството на дългия лъч е от решаващо значение за прецизното припокриване на помпената светлина и обема на лазерния режим |
| Поляризация | Необходимо за среди с анизотропни свойства | Подобрява ефективността на абсорбция и може да повлияе на поляризацията на излъчената лазерна светлина | Може да е необходимо специфично състояние на поляризация |
| Интензитет на шума | Ниските нива на шум са от решаващо значение | Колебанията 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: 01.12.2023 г.