Naročite se na naša družbena omrežja za hitre objave
V svojem bistvu je lasersko črpanje proces energizacije medija, da se doseže stanje, v katerem lahko oddaja lasersko svetlobo. To se običajno doseže z vbrizgavanjem svetlobe ali električnega toka v medij, kar vzbudi njegove atome in povzroči oddajanje koherentne svetlobe. Ta temeljni proces se je od pojava prvih laserjev sredi 20. stoletja znatno razvil.
Čeprav se lasersko črpanje pogosto modelira z enačbami hitrosti, je v osnovi kvantnomehanski proces. Vključuje zapletene interakcije med fotoni in atomsko ali molekularno strukturo ojačevalnega medija. Napredni modeli upoštevajo pojave, kot so Rabijeve oscilacije, ki zagotavljajo bolj natančno razumevanje teh interakcij.
Lasersko črpanje je postopek, pri katerem se energija, običajno v obliki svetlobe ali električnega toka, dovaja v laserski ojačevalni medij, da se njegovi atomi ali molekule dvignejo v višja energijska stanja. Ta prenos energije je ključnega pomena za doseganje inverzije populacije, stanja, v katerem je vzbujenih več delcev kot v nižjem energijskem stanju, kar omogoča mediju, da ojača svetlobo s stimulirano emisijo. Postopek vključuje zapletene kvantne interakcije, pogosto modelirane z enačbami hitrosti ali naprednejšimi kvantno mehanskima okviri. Ključni vidiki vključujejo izbiro vira črpanja (kot so laserske diode ali sijalke), geometrijo črpanja (stransko ali končno črpanje) in optimizacijo značilnosti črpalne svetlobe (spekter, intenzivnost, kakovost žarka, polarizacija), da se ujemajo s specifičnimi zahtevami ojačevalnega medija. Lasersko črpanje je temeljnega pomena pri različnih vrstah laserjev, vključno s trdnostnimi, polprevodniškimi in plinskimi laserji, ter je bistveno za učinkovito in uspešno delovanje laserja.
Vrste optično črpanih laserjev
1. Trdni laserji z dopiranimi izolatorji
· Pregled:Ti laserji uporabljajo električno izolacijski medij in se zanašajo na optično črpanje za energijo lasersko aktivnih ionov. Pogost primer je neodim v YAG laserjih.
·Nedavne raziskave:Študija A. Antipova in sodelavcev obravnava trdnostni laser v bližnjem infrardečem spektru za optično črpanje z izmenjavo spina. Ta raziskava poudarja napredek v tehnologiji trdnostnih laserjev, zlasti v bližnjem infrardečem spektru, ki je ključnega pomena za aplikacije, kot sta medicinsko slikanje in telekomunikacije.
Nadaljnje branje:Trdni laser v bližnjem infrardečem območju za optično črpanje z izmenjavo spina
2. Polprevodniški laserji
·Splošne informacije: Polprevodniški laserji, ki so običajno električno črpani, lahko imajo koristi tudi od optičnega črpanja, zlasti v aplikacijah, ki zahtevajo visoko svetlost, kot so na primer vertikalni laserji z zunanjo votlino (VECSEL).
·Nedavni razvoj: Delo U. Kellerja na optičnih frekvenčnih glavnikih iz ultrahitrih trdnostnih in polprevodniških laserjev ponuja vpogled v generiranje stabilnih frekvenčnih glavnikov iz diodno črpanih trdnostnih in polprevodniških laserjev. Ta napredek je pomemben za uporabo v optični frekvenčni metrologiji.
Nadaljnje branje:Optični frekvenčni glavniki iz ultrahitrih trdnih in polprevodniških laserjev
3. Plinski laserji
·Optično črpanje v plinskih laserjih: Nekatere vrste plinskih laserjev, kot so laserji z alkalnimi parami, uporabljajo optično črpanje. Ti laserji se pogosto uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo koherentne svetlobne vire s specifičnimi lastnostmi.
Viri za optično črpanje
Razelektritvene sijalkeRazelektritvene sijalke, ki so pogoste pri laserjih s sijalkami, se uporabljajo zaradi svoje visoke moči in širokega spektra. YA Mandryko in sodelavci so razvili model moči za generiranje impulznega obločnega praznjenja v ksenonskih sijalkah z optičnim črpanjem v aktivnih medijih trdnih laserjev. Ta model pomaga optimizirati delovanje impulznih črpalnih sijalk, kar je ključnega pomena za učinkovito delovanje laserja.
Laserske diode:Laserske diode, ki se uporabljajo v laserjih z diodnim črpanjem, ponujajo prednosti, kot so visoka učinkovitost, kompaktna velikost in možnost fine nastavitve.
Nadaljnje branje:Kaj je laserska dioda?
BliskaviceBliskavice so intenzivni viri svetlobe širokega spektra, ki se običajno uporabljajo za črpanje trdnih laserjev, kot so rubinski ali Nd:YAG laserji. Zagotavljajo visokointenziven sunek svetlobe, ki vzbuja laserski medij.
Obločne svetilkePodobne kot bliskavice, vendar zasnovane za neprekinjeno delovanje, obločne sijalke ponujajo stalen vir intenzivne svetlobe. Uporabljajo se v aplikacijah, kjer je potrebno delovanje laserja z neprekinjenim valovanjem (CW).
LED diode (svetleče diode)Čeprav niso tako pogoste kot laserske diode, se LED diode lahko uporabljajo za optično črpanje v nekaterih aplikacijah z nizko porabo energije. Prednost imajo zaradi dolge življenjske dobe, nizkih stroškov in razpoložljivosti v različnih valovnih dolžinah.
Sončna svetlobaV nekaterih eksperimentalnih postavitvah je bila koncentrirana sončna svetloba uporabljena kot vir črpanja za laserje, ki jih črpa sončna energija. 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.
Optično sklopljene laserske diodeTo so laserske diode, povezane z optičnimi vlakni, ki učinkoviteje dovajajo črpalno svetlobo v laserski medij. Ta metoda je še posebej uporabna pri vlakenskih laserjih in v situacijah, kjer je natančna dostava črpalne svetlobe ključnega pomena.
Drugi laserjiVčasih se en laser uporablja za črpanje drugega. Na primer, Nd:YAG laser s podvojeno frekvenco se lahko uporabi za črpanje barvilnega laserja. Ta metoda se pogosto uporablja, kadar so za proces črpanja potrebne specifične valovne dolžine, ki jih s konvencionalnimi svetlobnimi viri ni enostavno doseči.
Diodno črpani trdno-tesni laser
Začetni vir energijePostopek se začne z diodnim laserjem, ki služi kot vir črpanja. Diodni laserji so izbrani zaradi svoje učinkovitosti, kompaktne velikosti in sposobnosti oddajanja svetlobe pri določenih valovnih dolžinah.
Lučka črpalke:Diodni laser oddaja svetlobo, ki jo absorbira trdni ojačevalni medij. Valovna dolžina diodnega laserja je prilagojena absorpcijskim karakteristikam ojačevalnega medija.
Trdno stanjeSrednje pridobitev
Material:Ojačevalni medij v DPSS laserjih je običajno trdni material, kot je Nd:YAG (z neodimom dopiran itrijev aluminijev granat), Nd:YVO4 (z neodimom dopiran itrijev ortovanadat) ali Yb:YAG (z iterbijem dopiran itrijev aluminijev granat).
Doping:Ti materiali so dopirani z ioni redkih zemelj (kot sta Nd ali Yb), ki so aktivni laserski ioni.
Absorpcija in vzbujanje energije:Ko črpalna svetloba diodnega laserja vstopi v ojačevalni medij, ioni redkih zemelj absorbirajo to energijo in se vzbudijo v višja energijska stanja.
Inverzija populacije
Doseganje inverzije populacije:Ključ do delovanja laserja je doseganje inverzije populacije v ojačajočem mediju. To pomeni, da je več ionov v vzbujenem stanju kot v osnovnem stanju.
Stimulirana emisija:Ko je dosežena inverzija populacije, lahko uvedba fotona, ki ustreza energijski razliki med vzbujenim in osnovnim stanjem, spodbudi vzbujene ione, da se vrnejo v osnovno stanje, pri čemer oddajo foton.
Optični resonator
Ogledala: Ojačevalni medij je nameščen znotraj optičnega resonatorja, ki ga običajno tvorita dve ogledali na vsakem koncu medija.
Povratna informacija in ojačanje: Eno od ogledal je zelo odbojno, drugo pa delno odbojno. Fotoni se odbijajo med tema ogledaloma, kar spodbuja več emisij in ojača svetlobo.
Laserska emisija
Koherentna svetloba: Fotoni, ki se oddajajo, so koherentni, kar pomeni, da so v fazi in imajo enako valovno dolžino.
Izhod: Delno odsevno zrcalo prepušča del te svetlobe in tvori laserski žarek, ki izstopa iz laserja DPSS.
Geometrije črpanja: stransko in končno črpanje
| Metoda črpanja | Opis | Aplikacije | Prednosti | Izzivi |
|---|---|---|---|---|
| Stransko črpanje | Črpalna svetloba, uvedena pravokotno na laserski medij | Palični ali vlaknasti laserji | Enakomerna porazdelitev svetlobe črpalke, primerna za aplikacije z veliko močjo | Neenakomerna porazdelitev ojačanja, nižja kakovost snopa |
| Konec črpanja | Črpalna svetloba usmerjena vzdolž iste osi kot laserski žarek | Trdni laserji, kot je Nd:YAG | Enakomerna porazdelitev ojačanja, višja kakovost žarka | Kompleksna poravnava, manj učinkovito odvajanje toplote pri visokozmogljivih laserjih |
Zahteve za učinkovito luč črpalke
| Zahteva | Pomen | Vpliv/ravnovesje | 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 raven vzbujanja | Previsoke intenzivnosti lahko povzročijo toplotno škodo; prenizke ne bodo dosegle inverzije populacije. | - |
| Kakovost žarka | Še posebej kritično pri laserjih s končnim črpanjem | Zagotavlja učinkovito sklopitev in prispeva h kakovosti oddajanega laserskega žarka | Kakovost dolgega snopa je ključnega pomena za natančno prekrivanje črpalne svetlobe in volumna laserskega načina |
| Polarizacija | Potrebno za medije z anizotropnimi lastnostmi | Izboljša učinkovitost absorpcije in lahko vpliva na polarizacijo oddane laserske svetlobe | Morda bo potrebno specifično stanje polarizacije |
| Intenzivnost hrupa | Nizka raven hrupa je 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. dec. 2023