Pretplatite se na naše društvene mreže za brze objave
U svojoj suštini, lasersko pumpanje je proces energiziranja medija kako bi se postiglo stanje u kojem može emitirati lasersku svjetlost. To se obično radi ubrizgavanjem svjetlosti ili električne struje u medij, što pobuđuje njegove atome i dovodi do emisije koherentne svjetlosti. Ovaj osnovni proces se značajno razvio od pojave prvih lasera sredinom 20. stoljeća.
Iako se često modelira jednačinama brzine, lasersko pumpanje je u osnovi kvantno mehanički proces. Uključuje složene interakcije između fotona i atomske ili molekularne strukture medija pojačanja. Napredni modeli uzimaju u obzir fenomene poput Rabijevih oscilacija, koje pružaju nijansiranije razumijevanje ovih interakcija.
Lasersko pumpanje je proces u kojem se energija, obično u obliku svjetlosti ili električne struje, dovodi u laserski medij za pojačanje kako bi se njegovi atomi ili molekuli podigli u viša energetska stanja. Ovaj prijenos energije je ključan za postizanje inverzije naseljenosti, stanja u kojem je više čestica pobuđeno nego u stanju niže energije, što omogućava mediju da pojača svjetlost putem stimulirane emisije. Proces uključuje složene kvantne interakcije, često modelirane kroz jednačine brzine ili naprednije kvantno-mehaničke okvire. Ključni aspekti uključuju izbor izvora pumpanja (poput laserskih dioda ili lampi za pražnjenje), geometriju pumpanja (bočno ili krajnje pumpanje) i optimizaciju karakteristika svjetlosti pumpanja (spektar, intenzitet, kvalitet snopa, polarizacija) kako bi se uskladili sa specifičnim zahtjevima medija za pojačanje. Lasersko pumpanje je fundamentalno u različitim tipovima lasera, uključujući lasere u čvrstom stanju, poluprovodničke i plinske lasere, i neophodno je za efikasan i efektivan rad lasera.
Vrste optički pumpanih lasera
1. Laseri u čvrstom stanju sa dopiranim izolatorima
· Pregled:Ovi laseri koriste električno izolirajući medij i oslanjaju se na optičko pumpanje za napajanje laserski aktivnih iona. Uobičajen primjer je neodimij u YAG laserima.
·Nedavna istraživanja:Studija koju su proveli A. Antipov i saradnici razmatra laser bliskog infracrvenog zračenja u čvrstom stanju za optičko pumpanje spin-izmjenom. Ovo istraživanje ističe napredak u tehnologiji lasera u čvrstom stanju, posebno u spektru bliskog infracrvenog zračenja, koji je ključan za primjene poput medicinskog snimanja i telekomunikacija.
Dodatno čitanje:Čvrsti laser bliskog infracrvenog zračenja za optičko pumpanje spin-izmjenom
2. Poluprovodnički laseri
·Opšte informacije: Poluprovodnički laseri, obično električno pumpani, mogu imati koristi i od optičkog pumpanja, posebno u primjenama koje zahtijevaju visoku svjetlinu, kao što su vertikalni laseri sa površinskim emitovanjem sa eksternom šupljinom (VECSEL).
·Nedavni razvoj: Rad U. Kellera na optičkim frekventnim češljevima iz ultrabrzih čvrstih i poluprovodničkih lasera pruža uvid u generisanje stabilnih frekventnih češljeva iz diodno pumpanih čvrstih i poluprovodničkih lasera. Ovaj napredak je značajan za primjene u optičkoj frekventnoj metrologiji.
Dodatno čitanje:Optički frekvencijski češljevi iz ultrabrzih lasera u čvrstom stanju i poluprovodničkih lasera
3. Plinski laseri
·Optičko pumpanje u gasnim laserima: Određene vrste gasnih lasera, poput lasera s alkalnim parama, koriste optičko pumpanje. Ovi laseri se često koriste u primjenama koje zahtijevaju koherentne izvore svjetlosti sa specifičnim svojstvima.
Izvori za optičko pumpanje
Pražnjeće lampeUobičajene kod lasera pumpanih lampama, lampe sa pražnjenjem se koriste zbog svoje velike snage i širokog spektra. YA Mandryko i saradnici su razvili model snage generisanja impulsnog lučnog pražnjenja u aktivnim medijima ksenonskih lampi sa optičkim pumpanjem u čvrsto-stacionarnim laserima. Ovaj model pomaže u optimizaciji performansi impulsnih pumpajućih lampi, što je ključno za efikasan rad lasera.
Laserske diode:Korištene u laserima s diodnom pumpom, laserske diode nude prednosti poput visoke efikasnosti, kompaktne veličine i mogućnosti finog podešavanja.
Dodatno štivo:Šta je laserska dioda?
Blic lampeBljeskalice su intenzivni izvori svjetlosti širokog spektra koji se obično koriste za pumpanje lasera u čvrstom stanju, kao što su rubin ili Nd:YAG laseri. One pružaju visokointenzivni bljesak svjetlosti koji pobuđuje laserski medij.
Lučne lampeSlično bljeskalicama, ali dizajnirane za kontinuirani rad, lučne lampe nude stalan izvor intenzivnog svjetla. Koriste se u primjenama gdje je potreban rad lasera kontinuiranog vala (CW).
LED diode (svjetleće diode)Iako nisu toliko uobičajene kao laserske diode, LED diode se mogu koristiti za optičko pumpanje u određenim primjenama male snage. Prednost im leži u dugom vijeku trajanja, niskoj cijeni i dostupnosti u različitim talasnim dužinama.
Sunčeva svjetlostU nekim eksperimentalnim postavkama, koncentrirana sunčeva svjetlost korištena je kao izvor pumpe za lasere pumpane solarnom energijom. Ova metoda iskorištava solarnu energiju, što je čini obnovljivim i isplativim izvorom, iako je manje kontrolirana i manje intenzivna u usporedbi s umjetnim izvorima svjetlosti.
Laserske diode spregnute s vlaknimaOvo su laserske diode povezane s optičkim vlaknima, koje efikasnije isporučuju svjetlo pumpe laserskom mediju. Ova metoda je posebno korisna kod vlaknastih lasera i u situacijama gdje je precizna isporuka svjetla pumpe ključna.
Ostali laseriPonekad se jedan laser koristi za pumpanje drugog. Na primjer, Nd:YAG laser sa udvostručenom frekvencijom može se koristiti za pumpanje lasera u boji. Ova metoda se često koristi kada su potrebne specifične talasne dužine za proces pumpanja, što se ne može lako postići konvencionalnim izvorima svjetlosti.
Diodno pumpani laser u čvrstom stanju
Početni izvor energijeProces počinje diodnim laserom, koji služi kao izvor pumpe. Diodni laseri su odabrani zbog svoje efikasnosti, kompaktne veličine i sposobnosti emitovanja svjetlosti na određenim talasnim dužinama.
Lampica pumpe:Diodni laser emituje svjetlost koju apsorbuje čvrsti laserski medij. Talasna dužina diodnog lasera je prilagođena apsorpcionim karakteristikama laserskog medija.
TranzistorskiSrednje pojačanje
Materijal:Medij za pojačanje u DPSS laserima je obično materijal u čvrstom stanju poput Nd:YAG (neodimijumom dopirani itrijum aluminijumski granat), Nd:YVO4 (neodimijumom dopirani itrijum ortovanadat) ili Yb:YAG (iterbijumom dopirani itrijum aluminijumski granat).
Doping:Ovi materijali su dopirani rijetkim zemnim ionima (poput Nd ili Yb), koji su aktivni laserski ioni.
Apsorpcija i pobuda energije:Kada svjetlo pumpe iz diodnog lasera uđe u medij za pojačanje, ioni rijetkih zemalja apsorbiraju tu energiju i pobuđuju se u viša energetska stanja.
Inverzija populacije
Postizanje inverzije populacije:Ključ djelovanja lasera je postizanje inverzne populacije u pojačavajućem mediju. To znači da se više iona nalazi u pobuđenom stanju nego u osnovnom stanju.
Stimulisana emisija:Nakon što se postigne inverzija naseljenosti, uvođenje fotona koji odgovara energetskoj razlici između pobuđenog i osnovnog stanja može stimulirati pobuđene ione da se vrate u osnovno stanje, emitirajući foton u tom procesu.
Optički rezonator
Ogledala: Pojačivač signala se nalazi unutar optičkog rezonatora, koji se obično formira s dva ogledala na svakom kraju medija.
Povratna sprega i pojačanje: Jedno od ogledala je visoko reflektirajuće, a drugo je djelimično reflektirajuće. Fotoni se odbijaju naprijed-nazad između ovih ogledala, stimulirajući više emisija i pojačavajući svjetlost.
Laserska emisija
Koherentna svjetlost: Fotoni koji se emituju su koherentni, što znači da su u fazi i imaju istu talasnu dužinu.
Izlaz: Djelomično reflektirajuće ogledalo propušta dio ove svjetlosti, formirajući laserski snop koji izlazi iz DPSS lasera.
Geometrije pumpanja: Bočno u odnosu na krajnje pumpanje
| Metoda pumpanja | Opis | Aplikacije | Prednosti | Izazovi |
|---|---|---|---|---|
| Bočno pumpanje | Pumpajuće svjetlo uvedeno okomito na laserski medij | Štapni ili vlaknasti laseri | Ravnomjerna distribucija svjetlosti pumpe, pogodna za primjene velike snage | Neujednačena raspodjela pojačanja, kvalitet nižeg snopa |
| Kraj pumpanja | Svjetlost pumpe usmjerena duž iste ose kao i laserski snop | Čvrsto-statični laseri poput Nd:YAG | Ujednačena raspodjela pojačanja, viši kvalitet snopa | Složeno poravnanje, manje efikasno odvođenje toplote kod lasera velike snage |
Zahtjevi za efektivno svjetlo pumpe
| Zahtjev | Važnost | Uticaj/Ravnoteža | Dodatne napomene |
|---|---|---|---|
| Prikladnost spektra | Talasna dužina mora odgovarati apsorpcionom spektru laserskog medija | Osigurava efikasnu apsorpciju i efektivnu inverziju populacije | - |
| Intenzitet | Mora biti dovoljno visok za željeni nivo uzbuđenja | Previsoki intenziteti mogu uzrokovati termalna oštećenja; preniski neće postići inverziju populacije. | - |
| Kvalitet snopa | Posebno kritično kod lasera sa pumpanjem na kraju | Osigurava efikasno spajanje i doprinosi kvalitetu emitiranog laserskog snopa | Kvalitet dugog snopa je ključan za precizno preklapanje svjetlosti pumpe i volumena laserskog moda |
| Polarizacija | Potrebno za medije sa anizotropnim svojstvima | Povećava efikasnost apsorpcije i može uticati na polarizaciju emitovane laserske svjetlosti | Može biti potrebno specifično stanje polarizacije |
| Intenzitet šuma | Nizak nivo buke je ključan | Fluktuacije u intenzitetu svjetlosti pumpe mogu utjecati na kvalitetu i stabilnost laserskog izlaza | Važno za primjene koje zahtijevaju visoku stabilnost i preciznost |
Vrijeme objave: 01.12.2023.