Naročite se na naše družbene medije za hitro objavo
V bistvu je lasersko črpanje proces energiziranja medija, da se doseže stanje, v katerem lahko oddaja lasersko svetlobo. To se običajno izvede z vbrizgavanjem svetlobe ali električnega toka v medij, ki vzbudi njegove atome in povzroči emisijo koherentne svetlobe. Ta temeljni proces se je močno razvil od pojava prvih laserjev sredi 20. stoletja.
Čeprav je lasersko črpanje pogosto modelirano z enačbami hitrosti, je v osnovi kvantno mehanski proces. Vključuje zapletene interakcije med fotoni in atomsko ali molekularno strukturo pridobilnega medija. Napredni modeli upoštevajo pojave, kot so Rabijeva nihanja, ki zagotavljajo bolj niansirano razumevanje teh interakcij.
Lasersko črpanje je proces, pri katerem se energija, običajno v obliki svetlobe ali električnega toka, dovaja laserskemu ojačitvenemu mediju, da se njegovi atomi ali molekule dvignejo v višja energijska stanja. Ta prenos energije je ključnega pomena za doseganje populacijske inverzije, stanja, kjer je vzburjenih več delcev kot v stanju z nižjo energijo, kar mediju omogoča, da ojača svetlobo s stimulirano emisijo. Proces vključuje zapletene kvantne interakcije, ki so pogosto modelirane s hitrostnimi enačbami ali naprednejšimi kvantnomehanskimi okviri. Ključni vidiki vključujejo izbiro vira črpalke (kot so laserske diode ali razelektritvene sijalke), geometrijo črpalke (stransko ali končno črpanje) in optimizacijo svetlobnih značilnosti črpalke (spekter, intenzivnost, kakovost žarka, polarizacija), da ustrezajo posebnim zahtevam dobiček srednji. Lasersko črpanje je temeljnega pomena pri različnih vrstah laserjev, vključno s polprevodniškimi, polprevodniškimi in plinskimi laserji, in je bistveno za učinkovito in uspešno delovanje laserja.
Različice laserjev z optično črpalko
1. Polprevodniški laserji z dopiranimi izolatorji
· Pregled:Ti laserji uporabljajo električno izolacijski gostiteljski medij in se zanašajo na optično črpanje za energiranje lasersko aktivnih ionov. Pogost primer je neodim v laserjih YAG.
·Nedavna raziskava:Študija A. Antipova in sod. obravnava polprevodniški laser blizu IR za optično črpanje z izmenjavo spinov. Ta raziskava poudarja napredek v tehnologiji polprevodniškega laserja, zlasti v bližnjem infrardečem spektru, ki je ključnega pomena za aplikacije, kot so medicinsko slikanje in telekomunikacije.
Dodatno branje:Polprevodniški laser blizu IR za optično črpanje s spinsko izmenjavo
2. Polprevodniški laserji
·Splošne informacije: Polprevodniški laserji, ki se običajno črpajo z električno energijo, imajo lahko koristi tudi od optičnega črpanja, zlasti v aplikacijah, ki zahtevajo visoko svetlost, kot so laserji, ki oddajajo površino z navpično zunanjo votlino (VECSEL).
·Najnovejši dogodki: Delo U. Kellerja o optičnih frekvenčnih glavnikih iz ultra hitrih polprevodniških in polprevodniških laserjev ponuja vpogled v ustvarjanje stabilnih frekvenčnih glavnikov iz polprevodniških in polprevodniških laserjev z diodnim črpanjem. Ta napredek je pomemben za aplikacije v meroslovju optičnih frekvenc.
Dodatno branje:Optični frekvenčni glavniki ultra hitrih polprevodniških in polprevodniških laserjev
3. Plinski laserji
·Optično črpanje v plinskih laserjih: nekatere vrste plinskih laserjev, kot so alkalijski parni laserji, uporabljajo optično črpanje. Ti laserji se pogosto uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo koherentne vire svetlobe s posebnimi lastnostmi.
Viri za optično črpanje
Razelektritvene sijalke: Razelektritvene sijalke, ki so pogoste v laserjih s črpanjem, se uporabljajo zaradi svoje visoke moči in širokega spektra. YA Mandryko et al. razvil močnostni model generiranja impulznega obločnega razelektritve v aktivnih medijih optičnih črpalnih ksenonskih žarnic polprevodniških laserjev. Ta model pomaga optimizirati delovanje žarnic z impulznim črpanjem, ki je ključnega pomena za učinkovito delovanje laserja.
Laserske diode:Laserske diode, ki se uporabljajo v laserjih z diodnim črpanjem, nudijo prednosti, kot so visoka učinkovitost, kompaktna velikost in možnost natančne nastavitve.
Dodatno branje:kaj je laserska dioda?
Bliskavice: Bliskavice so intenzivni svetlobni viri širokega spektra, ki se običajno uporabljajo za črpanje polprevodniških laserjev, kot so rubin ali Nd:YAG laserji. Zagotavljajo visoko intenziven izbruh svetlobe, ki vzbudi laserski medij.
Obločne svetilke: Podobno kot bliskavice, vendar zasnovane za neprekinjeno delovanje, obločne svetilke ponujajo stalen vir močne svetlobe. Uporabljajo se v aplikacijah, kjer je potrebno lasersko delovanje z neprekinjenimi valovi (CW).
LED diode (svetleče diode): LED diode sicer niso tako pogoste kot laserske diode, vendar se lahko uporabljajo za optično črpanje v nekaterih aplikacijah z nizko porabo energije. Prednosti so zaradi dolge življenjske dobe, nizke cene in razpoložljivosti v različnih valovnih dolžinah.
Sončna svetloba: V nekaterih eksperimentalnih postavitvah je bila koncentrirana sončna svetloba uporabljena kot vir črpalke za laserje s sončno črpalko. Ta metoda izkorišča sončno energijo, zaradi česar je obnovljiv in stroškovno učinkovit vir, čeprav je manj nadzorovana in manj intenzivna v primerjavi z umetnimi viri svetlobe.
Laserske diode, povezane z vlakni: To so laserske diode, povezane z optičnimi vlakni, ki učinkoviteje prenašajo svetlobo črpalke v laserski medij. Ta metoda je še posebej uporabna pri laserjih z vlakni in v situacijah, kjer je natančna dostava svetlobe črpalke ključnega pomena.
Drugi laserji: Včasih se en laser uporablja za črpanje drugega. Na primer, laser Nd: YAG s podvojeno frekvenco lahko uporabite za črpanje laserja za barvanje. Ta metoda se pogosto uporablja, ko so za postopek črpanja potrebne posebne valovne dolžine, ki jih ni enostavno doseči z običajnimi viri svetlobe.
Polprevodniški laser z diodnim črpanjem
Začetni vir energije: Postopek se začne z diodnim laserjem, ki služi kot vir črpalke. Diodni laserji so izbrani zaradi njihove učinkovitosti, kompaktne velikosti in sposobnosti oddajanja svetlobe pri določenih valovnih dolžinah.
Luč črpalke:Diodni laser oddaja svetlobo, ki jo absorbira trdni ojačevalni medij. Valovna dolžina diodnega laserja je prilagojena tako, da se ujema z absorpcijskimi značilnostmi ojačevalnega medija.
Solid-StatePridobite Srednje
Material:Ojačevalni medij v laserjih DPSS je običajno trdni material, kot je Nd:YAG (itrijev aluminijev granat, dopiran z neodimom), Nd:YVO4 (itrijev ortovanadat, dopiran z neodimom) ali Yb:YAG (itrijev aluminijev granat, dopiran z iterbijem).
Doping:Ti materiali so dopirani z ioni redkih zemelj (kot sta Nd ali Yb), ki so aktivni laserski ioni.
Absorpcija in vzbujanje energije:Ko svetloba črpalke iz diodnega laserja vstopi v ojačitveni medij, ioni redkih zemelj absorbirajo to energijo in se vzbujajo v višja energijska stanja.
Inverzija prebivalstva
Doseganje inverzije populacije:Ključ do laserskega delovanja je doseganje populacijske inverzije v ojačevalnem mediju. To pomeni, da je več ionov v vzbujenem stanju kot v osnovnem stanju.
Stimulirana emisija:Ko je dosežena populacijska inverzija, lahko vnos fotona, ki ustreza energijski razliki med vzbujenim in osnovnim stanjem, spodbudi vzbujene ione, da se vrnejo v osnovno stanje in pri tem oddajo foton.
Optični resonator
Ogledala: Ojačevalni medij je nameščen v optičnem resonatorju, ki ga običajno tvorita dve zrcali na vsakem koncu medija.
Povratne informacije in ojačanje: eno od ogledal je visoko odbojno, drugo pa delno odsevno. Fotoni se odbijajo naprej in nazaj med temi ogledali, spodbujajo več emisij in ojačajo svetlobo.
Laserska emisija
Koherentna svetloba: fotoni, ki se oddajajo, so koherentni, kar pomeni, da so v fazi in imajo enako valovno dolžino.
Izhod: Delno odbojno ogledalo prepušča del te svetlobe, da preide skozenj in tvori laserski žarek, ki izstopa iz laserja DPSS.
Geometrije črpanja: črpanje ob strani proti koncu
| Metoda črpanja | Opis | Aplikacije | Prednosti | Izzivi |
|---|---|---|---|---|
| Stransko črpanje | Svetloba črpalke, uvedena pravokotno na laserski medij | Palični ali vlakneni laserji | Enakomerna porazdelitev svetlobe črpalke, primerna za uporabo z visoko močjo | Neenakomerna porazdelitev ojačanja, slabša kakovost žarka |
| Konec črpanja | Svetloba črpalke je usmerjena vzdolž iste osi kot laserski žarek | Polprevodniški laserji, kot je Nd:YAG | Enakomerna porazdelitev ojačanja, višja kakovost žarka | Zapletena poravnava, manj učinkovito odvajanje toplote pri visokozmogljivih laserjih |
Zahteve za učinkovito črpalko
| Zahteva | Pomembnost | Vpliv/ravnotežje | Dodatne opombe |
|---|---|---|---|
| Primernost spektra | Valovna dolžina se mora ujemati z absorpcijskim spektrom laserskega medija | Zagotavlja učinkovito absorpcijo in učinkovito inverzijo populacije | - |
| Intenzivnost | Mora biti dovolj visoka za želeno stopnjo vzbujanja | Previsoke intenzivnosti lahko povzročijo toplotne poškodbe; prenizko ne bo doseglo inverzije populacije | - |
| Kakovost žarka | Še posebej kritično pri laserjih s končnim črpanjem | Zagotavlja učinkovito spajanje in prispeva h kakovosti oddanega laserskega žarka | Visoka kakovost žarka je ključnega pomena za natančno prekrivanje svetlobe črpalke in glasnosti laserskega načina |
| Polarizacija | Zahtevano za medije z anizotropnimi lastnostmi | Izboljša učinkovitost absorpcije in lahko vpliva na polarizacijo oddane laserske svetlobe | Morda bo potrebno specifično polarizacijsko stanje |
| Hrup intenzivnosti | Nizke ravni hrupa so ključnega pomena | Nihanja v intenzivnosti svetlobe črpalke lahko vplivajo na kakovost in stabilnost laserskega izhoda | Pomembno za aplikacije, ki zahtevajo visoko stabilnost in natančnost |
Čas objave: 1. december 2023