Tilaa sosiaalisen median kanavamme saadaksesi nopeita julkaisuja
Laserpumppaus on pohjimmiltaan prosessi, jossa väliaineeseen syötetään energiaa, jotta se voi lähettää laservaloa. Tämä tehdään tyypillisesti syöttämällä valoa tai sähkövirtaa väliaineeseen, jolloin sen atomit virittyvät ja syntyy koherenttia valoa. Tämä perustavanlaatuinen prosessi on kehittynyt merkittävästi ensimmäisten lasereiden ilmestymisestä 1900-luvun puolivälissä.
Vaikka laserpumppausta usein mallinnetaan nopeusyhtälöillä, se on pohjimmiltaan kvanttimekaaninen prosessi. Se sisältää monimutkaisia vuorovaikutuksia fotonien ja vahvistusväliaineen atomi- tai molekyylirakenteen välillä. Edistyneemmät mallit tarkastelevat ilmiöitä, kuten Rabi-värähtelyjä, jotka tarjoavat vivahteikkaamman ymmärryksen näistä vuorovaikutuksista.
Laserpumppaus on prosessi, jossa energiaa, tyypillisesti valon tai sähkövirran muodossa, syötetään laserin vahvistusväliaineeseen sen atomien tai molekyylien nostamiseksi korkeampiin energiatiloihin. Tämä energiansiirto on ratkaisevan tärkeää populaatioinversion saavuttamiseksi, tilassa, jossa enemmän hiukkasia virittyy kuin matalamman energian tilassa, jolloin väliaine voi vahvistaa valoa stimuloidun emission kautta. Prosessiin liittyy monimutkaisia kvanttivuorovaikutuksia, joita usein mallinnetaan nopeusyhtälöiden tai edistyneempien kvanttimekaanisten kehysten avulla. Keskeisiä näkökohtia ovat pumpun lähteen valinta (kuten laserdiodit tai purkauslamput), pumpun geometria (sivu- tai päätypumppaus) ja pumpun valon ominaisuuksien (spektri, intensiteetti, säteen laatu, polarisaatio) optimointi vastaamaan vahvistusväliaineen erityisvaatimuksia. Laserpumppaus on olennaista useissa lasertyypeissä, mukaan lukien kiinteän olomuodon, puolijohde- ja kaasulaserit, ja se on välttämätöntä laserin tehokkaalle ja toimivalle toiminnalle.
Optisesti pumpattavien lasereiden lajikkeet
1. Seostetuilla eristeillä varustetut kiinteän olomuodon laserit
· Yleiskatsaus:Nämä laserit käyttävät sähköä eristävää isäntäväliainetta ja luottavat optiseen pumppaukseen laseraktiivisten ionien energisoimiseksi. Yleinen esimerkki on neodyymi YAG-lasereissa.
·Viimeaikaiset tutkimukset:A. Antipovin ym. tutkimus käsittelee kiinteän olomuodon lähi-infrapunalaseria spinvaihto-optiseen pumppaukseen. Tämä tutkimus korostaa kiinteän olomuodon laserteknologian edistysaskeleita, erityisesti lähi-infrapunaspektrissä, joka on ratkaisevan tärkeää sovelluksissa, kuten lääketieteellisessä kuvantamisessa ja televiestinnässä.
Lisälukemista:Kiinteän olomuodon lähi-infrapunalaser spinvaihto-optiseen pumppaukseen
2. Puolijohdelaserit
·Yleistä tietoa: Tyypillisesti sähköisesti pumpattavat puolijohdelaserit voivat hyötyä myös optisesta pumppauksesta, erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat suurta kirkkautta, kuten vertikaalisissa ulko-ontelopinnalla emittoivassa laserissa (VECSEL).
·Viimeaikaiset kehitysaskeleet: U. Kellerin työ ultranopeiden kiinteän olomuodon ja puolijohdelasereiden optisten taajuuskampojen parissa antaa tietoa diodipumpattujen kiinteän olomuodon ja puolijohdelasereiden vakaiden taajuuskampojen generoinnista. Tämä edistysaskel on merkittävä optisen taajuusmetrologian sovelluksissa.
Lisälukemista:Optiset taajuuskammat ultranopeista kiinteän olomuodon ja puolijohdelasereista
3. Kaasulaserit
·Optinen pumppaus kaasulasereissa: Tietyntyyppiset kaasulaserit, kuten alkalihöyrylaserit, hyödyntävät optista pumppausta. Näitä lasereita käytetään usein sovelluksissa, jotka vaativat koherentteja valonlähteitä, joilla on erityisominaisuudet.
Optisen pumppauksen lähteet
PurkauslamputPurkauslamppuja käytetään yleisesti lamppupumpatuissa lasereissa niiden suuren tehon ja laajan spektrin vuoksi. YA Mandryko ym. kehittivät tehomallin impulssikaaripurkauksen syntymiselle kiinteän olomuodon lasereiden aktiivimateriaalisissa optisissa pumppausksenonlampuissa. Tämä malli auttaa optimoimaan impulssipumppauslamppujen suorituskykyä, mikä on ratkaisevan tärkeää laserien tehokkaalle toiminnalle.
Laserdiodit:Diodipumpatuissa lasereissa käytetyillä laserdiodeilla on etuja, kuten korkea hyötysuhde, kompakti koko ja hienosäätömahdollisuus.
Lisälukemista:mikä on laserdiodi?
SalamavalotSalamavalot ovat voimakkaita, laajakirjoisia valonlähteitä, joita käytetään yleisesti kiinteän olomuodon lasereiden, kuten rubiini- tai Nd:YAG-lasereiden, pumppaamiseen. Ne tuottavat suuren intensiteetin valopurskahduksen, joka virittää laserväliaineen.
KaarilamputKaarilamput ovat samanlaisia kuin salamavalot, mutta ne on suunniteltu jatkuvaan käyttöön. Ne tarjoavat tasaisen voimakkaan valonlähteen. Niitä käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan jatkuvaa lasertoimintaa.
LEDit (valoa emittoivat diodit)Vaikka LEDit eivät olekaan yhtä yleisiä kuin laserdiodit, niitä voidaan käyttää optiseen pumppaukseen tietyissä pienitehoisissa sovelluksissa. Niiden etuna on pitkä käyttöikä, alhaiset kustannukset ja saatavuus eri aallonpituuksilla.
AuringonvaloJoissakin kokeellisissa järjestelyissä keskitettyä auringonvaloa on käytetty pumppauslähteenä aurinkopumpatuissa lasereissa. Tämä menetelmä valjastaa aurinkoenergiaa, mikä tekee siitä uusiutuvan ja kustannustehokkaan lähteen, vaikkakin se on vähemmän hallittavissa ja vähemmän voimakas verrattuna keinotekoisiin valonlähteisiin.
Kuitukytkentäiset laserdioditNämä ovat optisiin kuituihin kytkettyjä laserdiodeja, jotka toimittavat pumppausvalon tehokkaammin laserväliaineeseen. Tämä menetelmä on erityisen hyödyllinen kuitulasereissa ja tilanteissa, joissa pumppausvalon tarkka toimittaminen on ratkaisevan tärkeää.
Muut laseritJoskus yhtä laseria käytetään pumppaamaan toista. Esimerkiksi taajuuskaksinkertaistettua Nd:YAG-laseria voidaan käyttää värilaserin pumppaamiseen. Tätä menetelmää käytetään usein silloin, kun pumppausprosessiin tarvitaan tiettyjä aallonpituuksia, joita ei ole helppo saavuttaa perinteisillä valonlähteillä.
Diodipumpattu kiinteän olomuodon laser
Alkuperäinen energialähdeProsessi alkaa diodilaserilla, joka toimii pumppauslähteenä. Diodilaserit valitaan niiden tehokkuuden, kompaktin koon ja kyvyn lähettää valoa tietyillä aallonpituuksilla perusteella.
Pumpun valo:Diodilaser lähettää valoa, jonka kiinteän olomuodon vahvistusväliaine absorboi. Diodilaserin aallonpituus on räätälöity vastaamaan vahvistusväliaineen absorptio-ominaisuuksia.
PuolijohdeKeskitason vahvistus
Materiaali:DPSS-lasereiden vahvistusväliaine on tyypillisesti kiinteän olomuodon materiaali, kuten Nd:YAG (neodyymi-dopingilla varustettu yttriumalumiinigranaatti), Nd:YVO4 (neodyymi-dopingilla varustettu yttriumortovanadaatti) tai Yb:YAG (ytterbiumilla seostettu yttriumalumiinigranaatti).
Doping:Nämä materiaalit on seostettu harvinaisten maametallien ioneilla (kuten Nd tai Yb), jotka ovat aktiivisia laserioneja.
Energian absorptio ja heräte:Kun diodilaserin pumppausvalo saapuu vahvistusväliaineeseen, harvinaisten maametallien ionit absorboivat tämän energian ja virittyvät korkeampiin energiatiloihin.
Populaation inversio
Populaation inversion saavuttaminen:Lasertoiminnan avain on populaatioinversion saavuttaminen vahvistusväliaineessa. Tämä tarkoittaa, että enemmän ioneja on virittyneessä tilassa kuin perustilassa.
Stimuloitu emissio:Kun populaation inversio on saavutettu, virittyneen ja perustilan välistä energiaeroa vastaavan fotonin syöttäminen voi stimuloida virittyneet ionit palaamaan perustilaan, jolloin fotoni vapautuu.
Optinen resonaattori
Peilit: Vahvistusväliaine sijoitetaan optisen resonaattorin sisään, joka tyypillisesti muodostuu kahdesta peilistä väliaineen kummassakin päässä.
Palaute ja vahvistus: Toinen peileistä heijastaa voimakkaasti ja toinen osittain. Fotonit heijastuvat edestakaisin peilien välillä, mikä lisää säteilyä ja vahvistaa valoa.
Laserpäästö
Koherentti valo: Lähettyvät fotonit ovat koherentteja eli ne ovat samassa vaiheessa ja niillä on sama aallonpituus.
Tuloste: Osittain heijastava peili päästää osan tästä valosta läpi muodostaen lasersäteen, joka poistuu DPSS-laserista.
Pumppausgeometriat: Sivulta vs. päästä pumppaaminen
| Pumppausmenetelmä | Kuvaus | Sovellukset | Edut | Haasteet |
|---|---|---|---|---|
| Sivupumppaus | Pumpun valo johdetaan kohtisuoraan laserväliaineeseen nähden | Sauva- tai kuitulaserit | Pumpun valon tasainen jakautuminen, sopii suuritehoisiin sovelluksiin | Epätasainen vahvistuksen jakauma, heikompi säteen laatu |
| Pumppauksen loppu | Pumpun valo suunnattu samalle akselille kuin lasersäde | Kiinteän olomuodon laserit, kuten Nd:YAG | Tasainen vahvistuksen jakautuminen, parempi säteen laatu | Monimutkainen kohdistus, vähemmän tehokas lämmönpoisto suuritehoisissa lasereissa |
Tehokkaan pumpun valon vaatimukset
| Vaatimus | Merkitys | Vaikutus/Tasapaino | Lisähuomautuksia |
|---|---|---|---|
| Spektrien soveltuvuus | Aallonpituuden on vastattava laserväliaineen absorptiospektriä | Varmistaa tehokkaan imeytymisen ja populaation tehokkaan inversion | - |
| Intensiteetti | Täytyy olla riittävän korkea halutulle herätetasolle | Liian korkeat intensiteetit voivat aiheuttaa lämpövaurioita; liian matalat intensiteetit eivät saavuta populaation inversiota. | - |
| Säteen laatu | Erityisen kriittinen päätypumpatuissa lasereissa | Varmistaa tehokkaan kytkennän ja parantaa lähetetyn lasersäteen laatua | Korkean säteen laatu on ratkaisevan tärkeää pumpun valon ja lasertilan äänenvoimakkuuden tarkan päällekkäisyyden kannalta |
| Polarisaatio | Vaaditaan anisotrooppisten ominaisuuksien omaaville väliaineille | Parantaa absorptiotehokkuutta ja voi vaikuttaa laservalon polarisaatioon | Tietty polarisaatiotila voi olla tarpeen |
| Intensiteettikohina | Alhainen melutaso on ratkaisevan tärkeää | Pumpun valon voimakkuuden vaihtelut voivat vaikuttaa lasersäteen laatuun ja vakauteen | Tärkeää sovelluksissa, jotka vaativat suurta vakautta ja tarkkuutta |
Julkaisun aika: 1.12.2023