Přihlaste se k odběru našich sociálních médií pro rychlý příspěvek
Laserové čerpání je ve své podstatě procesem energizace média k dosažení stavu, kdy může emitovat laserové světlo. To se obvykle provádí vstřikováním světla nebo elektrického proudu do média, vzrušující jeho atomy a vedením k emisi koherentního světla. Tento základní proces se od příchodu prvních laserů v polovině 20. století výrazně vyvinul.
I když je často modelováno rovnicemi, laserové čerpání je v zásadě kvantový mechanický proces. Zahrnuje složité interakce mezi fotony a atomovou nebo molekulární strukturou ziskového média. Pokročilé modely zvažují jevy, jako jsou Rabi oscilace, které poskytují více nuanční porozumění těmto interakcím.
Laserové čerpání je proces, kde je energie, obvykle ve formě světla nebo elektrického proudu, dodávána do laserového ziskného média, aby se zvýšila jeho atomy nebo molekuly do stavů vyšší energie. Tento přenos energie je zásadní pro dosažení inverze populace, stavu, kde je více částic vzrušeno než v nižší energetickém stavu, což umožňuje médiu zesílit světlo stimulovanou emisí. Proces zahrnuje složité kvantové interakce, často modelované prostřednictvím rychlostních rovnic nebo pokročilejších kvantových mechanických rámců. Mezi klíčové aspekty patří výběr zdroje čerpadla (jako jsou laserové diody nebo vypouštěcí lampy), geometrie čerpadla (boční nebo koncové čerpání) a optimalizace charakteristik světla čerpadla (spektrum, intenzita, kvalita paprsku, polarizace), aby odpovídaly specifickým požadavkům mediálního média. Laserové čerpání je zásadní u různých typů laserů, včetně pevných stavů, polovodičů a plynových laserů a je nezbytné pro efektivní a efektivní provoz laseru.
Odrůdy opticky čerpaných laserů
1. Lasery s pevným státem s dopovanými izolátory
· Přehled:Tyto lasery používají elektricky izolační hostitelské médium a spoléhají se na optické čerpání pro napájení laserově aktivních iontů. Běžným příkladem je neodymium v laserech YAG.
·Nedávný výzkum:Studie A. Antipov et al. Diskutuje o laseru s pevným stavem pro optické čerpání. Tento výzkum zdůrazňuje pokroky v laserové technologii v pevném stavu, zejména v téměř infračerveném spektru, což je zásadní pro aplikace, jako je lékařské zobrazování a telekomunikace.
Další čtení:Pevný laser v pevném státě pro optické čerpání
2. polovodičové lasery
·Obecné informace: Obvykle elektricky načerpané polovodičové lasery mohou také těžit z optického čerpání, zejména v aplikacích vyžadujících vysoký jas, jako jsou lasery emitující povrch svislých vnějších dutin (vecsely).
·Nedávný vývoj: U. Kellerova práce na optické frekvenční hřebeny z ultrarychlých pevných a polovodičových laserů poskytuje vhled do generování stabilních frekvenčních hřebenů z pevných látek s diody a polovodičové lasery. Tento pokrok je významný pro aplikace v metrologii optické frekvence.
Další čtení:Optické frekvence z ultrarychlých pevných a polovodičových laserů
3. Plynové lasery
·Optické čerpání v plynových laserech: Některé typy plynových laserů, jako jsou lasery alkalických par, využívají optické čerpání. Tyto lasery se často používají v aplikacích vyžadujících koherentní světelné zdroje se specifickými vlastnostmi.
Zdroje pro optické čerpání
Vypouštěcí lampy: Běžné v laserech s pumpu lampu se vypouštěcí lampy používají pro jejich vysoký výkon a široké spektrum. Ya Mandryko et al. Vyvinul energetický model tvorby vypouštění impulzního oblouku v aktivním médiu Optická čerpání xenonových laserů pevných stavů. Tento model pomáhá optimalizovat výkon impulzních čerpacích lamp, zásadní pro efektivní provoz laseru.
Laserové diody:Laserové diody, které se používají v laserových diodách, nabízejí výhody, jako je vysoká účinnost, kompaktní velikost a schopnost je jemně vyladit.
Další čtení:Co je to laserová dioda?
Flash lampy: Flash lampy jsou intenzivní, širokospektrální světelné zdroje, které se běžně používají pro čerpání pevných laserů, jako jsou Ruby nebo ND: YAG lasery. Poskytují vysoce intenzivní výbuch světla, který vzrušuje laserové médium.
Obloukové lampy: Podobně jako u bleskových lamp, ale navržené pro nepřetržité provoz, nabízejí lampy oblouku stálý zdroj intenzivního světla. Používají se v aplikacích, kde je vyžadován laserový provoz kontinuální vlny (CW).
LED diody (světlo emitující diody): I když to není tak běžné jako laserové diody, LED lze použít pro optické čerpání v některých nízkoenergetických aplikacích. Jsou výhodné kvůli jejich dlouhému životu, nízkým nákladům a dostupnosti v různých vlnových délkách.
Sluneční světlo: V některých experimentálních nastaveních se koncentrované sluneční světlo používá jako zdroj čerpadla pro lasery solárních pumpu. Tato metoda využívá sluneční energii, což z ní činí obnovitelný a nákladově efektivní zdroj, i když je méně kontrolovatelný a méně intenzivní ve srovnání s umělými zdroji světla.
Laserové diody spojené s vlákny: Jedná se o laserové diody spojené s optickými vlákny, která dodávají světlo čerpadla efektivněji do laserového média. Tato metoda je zvláště užitečná v laserech vláken a v situacích, kdy je zásadní přesné dodání světla čerpadla.
Jiné lasery: Někdy se jeden laser používá k čerpání jiného. Například k čerpání barvicího laseru může být použit frekvenčně zdvojený laser ND: YAG. Tato metoda se často používá, pokud jsou pro čerpací proces vyžadovány specifické vlnové délky, kterého nelze snadno dosáhnout s konvenčními zdroji světla.
Laser s pevným státem s diody
Počáteční zdroj energie: Proces začíná diodovým laserem, který slouží jako zdroj čerpadla. Diodové lasery jsou vybírány pro jejich účinnost, kompaktní velikost a schopnost emitovat světlo na specifických vlnových délkách.
Světlo čerpadla:Diodový laser emituje světlo, které je absorbováno médiem pevného státu. Vlnová délka laseru diodového laseru je přizpůsobena tak, aby odpovídala absorpčním charakteristikám mediálního média.
Pevný stavZískat médium
Materiál:Ziskové médium v laserech DPSS je obvykle materiál v pevném stavu, jako je ND: YAG (neodymium dopovaný hliníkový granet), ND: Yvo4 (neodymium-dopovaný orthovanadate), nebo Yg (ytterbium-doped yttrium aluminium).
Doping:Tyto materiály jsou dotovány ionty vzácné země (jako ND nebo YB), což jsou aktivní laserové ionty.
Absorpce a excitace energie:Když světlo čerpadla z diodového laseru vstoupí do ziskového média, ionty vzácných Země tuto energii absorbují a jsou nadšeny na vyšší energetické stavy.
Inverze populace
Dosažení inverze populace:Klíčem k laserové akci je dosažení inverze populace v mediálním médiu. To znamená, že více iontů je ve vzrušeném stavu než v základním stavu.
Stimulovaná emise:Jakmile je dosaženo inverze populace, může zavedení fotonu odpovídajícího energetickému rozdílu mezi excitovanými a pozemními stavy stimulovat excitované ionty k návratu do základního stavu a emitovat foton v tomto procesu.
Optický rezonátor
Zrcadla: Médium zesílení je umístěno uvnitř optického rezonátoru, obvykle tvořeného dvěma zrcadly na každém konci média.
Zpětná vazba a zesílení: Jedna ze zrcadel je vysoce reflexní a druhá je částečně reflexní. Fotony se odrazí tam a zpět mezi těmito zrcadly, stimulují více emisí a zesilují světlo.
Emise laseru
Koherentní světlo: Emitované fotony jsou koherentní, což znamená, že jsou ve fázi a mají stejnou vlnovou délku.
Výstup: Částečně reflexní zrcadlo umožňuje projít část tohoto světla a vytváří laserový paprsek, který opouští laser DPSS.
Čerpání geometrie: Strana vs. Konec čerpání
| Metoda čerpání | Popis | Aplikace | Výhody | Výzvy |
|---|---|---|---|---|
| Postranní čerpání | Světlo čerpadla zavedeno kolmé do laserového média | Lasery tyčí nebo vlákna | Jednotné rozdělení světla čerpadla, vhodné pro vysoce výkonné aplikace | Nejednotné rozdělení zisku, nižší kvalita paprsku |
| Konec čerpání | Světlo čerpadla nasměrované podél stejné ose jako laserový paprsek | Pevné lasery jako ND: YAG | Distribuce jednotného zisku, vyšší kvalita paprsku | Komplexní zarovnání, méně účinné rozptyl tepla ve vysoce výkonných laserech |
Požadavky na efektivní světlo čerpadla
| Požadavek | Význam | Dopad/rovnováha | Další poznámky |
|---|---|---|---|
| Vhodnocení spektra | Vlnová délka musí odpovídat absorpčnímu spektru laserového média | Zajišťuje účinnou absorpci a účinnou inverzi populace | - |
| Intenzita | Musí být dostatečně vysoká pro požadovanou úroveň excitace | Příliš vysoké intenzity mohou způsobit tepelné poškození; příliš nízká nedosáhne inverze populace | - |
| Kvalita paprsku | Obzvláště kritické v laserech s koncovým pumpu | Zajišťuje efektivní spojení a přispívá k emitované kvalitě laserového paprsku | Vysoká kvalita paprsku je zásadní pro přesné překrývání světla čerpadla a objemu laserového režimu |
| Polarizace | Vyžadováno pro média s anizotropními vlastnostmi | Zvyšuje účinnost absorpce a může ovlivnit emitované laserové světlo polarizace | Může být nutný specifický stav polarizace |
| Hluk intenzity | Nízké hladiny hluku jsou zásadní | Kolísání intenzity světla čerpadla může ovlivnit kvalitu a stabilitu výstupu laseru | Důležité pro aplikace vyžadující vysokou stabilitu a přesnost |
Čas příspěvku: prosinec-01-2023