Tilaa sosiaalinen mediamme saadaksesi pikaviestejä
Laserpumppaus on pohjimmiltaan prosessi, jossa väliaine energisoidaan saavuttaakseen tilan, jossa se voi lähettää laservaloa.Tämä tehdään tyypillisesti ruiskuttamalla valoa tai sähkövirtaa väliaineeseen, jännittämällä sen atomeja ja johtamalla koherentin valon säteilyyn.Tämä perustava prosessi on kehittynyt merkittävästi ensimmäisten lasereiden ilmestymisen jälkeen 1900-luvun puolivälissä.
Vaikka laserpumppaus mallinnetaan usein nopeusyhtälöillä, se on pohjimmiltaan kvanttimekaaninen prosessi.Siihen liittyy monimutkaisia vuorovaikutuksia fotonien ja vahvistusväliaineen atomi- tai molekyylirakenteen välillä.Kehittyneissä malleissa otetaan huomioon Rabi-värähtelyn kaltaiset ilmiöt, jotka tarjoavat tarkemman käsityksen 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 populaation inversion saavuttamiseksi, tilan, jossa enemmän hiukkasia on virittynyt kuin alhaisemmassa energiatilassa, jolloin väliaine voi vahvistaa valoa stimuloidun emission kautta.Prosessi sisältää monimutkaisia kvanttivuorovaikutuksia, jotka usein mallinnetaan nopeusyhtälöiden tai kehittyneempien kvanttimekaanisten kehysten avulla.Keskeisiä näkökohtia ovat pumppulähteen valinta (kuten laserdiodit tai purkauslamput), pumpun geometria (sivu- tai päätypumppaus) ja pumpun valon ominaisuuksien (spektri, intensiteetti, säteen laatu, polarisaatio) optimointi vastaamaan laitteen erityisvaatimuksia. saada keskitasoa.Laserpumppaus on olennaista eri lasertyypeissä, mukaan lukien solid-state-, puolijohde- ja kaasulaserit, ja se on välttämätöntä laserin tehokkaalle ja tehokkaalle toiminnalle.
Optisesti pumpattujen lasereiden lajikkeet
1. Puolijohdelaserit seostetuilla eristeillä
· Yleiskatsaus:Nämä laserit käyttävät sähköä eristävää isäntäväliainetta ja luottavat optiseen pumppaamiseen laseraktiivisten ionien virrattamiseksi.Yleinen esimerkki on neodyymi YAG-lasereissa.
·Viimeaikainen tutkimus:A. Antipovin et al.käsittelee solid-state-lähes-IR-laseria spin-vaihto-optiseen pumppaukseen.Tämä tutkimus korostaa puolijohdelasertekniikan edistysaskeleita, erityisesti lähi-infrapunaspektrissä, joka on ratkaisevan tärkeää lääketieteellisen kuvantamisen ja televiestinnän kaltaisissa sovelluksissa.
Lisälukemista:Solid-state Near-IR-laser spin-vaihto-optiseen pumppaukseen
2. Puolijohdelaserit
·Yleistä: Tyypillisesti sähköisesti pumpatut puolijohdelaserit voivat hyötyä myös optisesta pumppauksesta, erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat suurta kirkkautta, kuten pystysuorat ulkoisen ontelon pintaa emittoivat laserit (VECSEL).
·Viimeaikaiset kehityssuunnat: U. Kellerin työ ultranopeiden solid-state- ja puolijohdelasereiden optisten taajuuskampojen parissa tarjoaa oivalluksia stabiilien taajuuksien kammojen luomiseen diodipumpatuista puolijohde- ja puolijohdelasereista.Tämä edistysaskel on merkittävä optisen taajuusmetrologian sovelluksissa.
Lisälukemista:Ultranopeiden solid-state- ja puolijohdelaserien optiset taajuuskammat
3. Kaasulaserit
·Optinen pumppaus kaasulasereissa: Tietyntyyppiset kaasulaserit, kuten alkalihöyrylaserit, käyttävät optista pumppausta.Näitä lasereita käytetään usein sovelluksissa, joissa tarvitaan koherentteja valonlähteitä, joilla on tietyt ominaisuudet.
Optisen pumppauksen lähteet
Purkauslamput: Yleisiä lamppupumppaavissa lasereissa purkauslamppuja käytetään niiden suuren tehon ja laajan spektrin vuoksi.YA Mandryko et ai.kehitti tehomallin impulssikaaripurkauksen generoimiseksi aktiivisen median optisesti pumppaavissa puolijohdelaserien ksenonlampuissa.Tämä malli auttaa optimoimaan impulssipumppulamppujen suorituskyvyn, mikä on ratkaisevan tärkeää tehokkaan lasertoiminnan kannalta.
Laser diodit:Diodipumppaavissa lasereissa käytetyt laserdiodit tarjoavat etuja, kuten korkean hyötysuhteen, kompaktin koon ja kyvyn hienosäätää.
Lue lisää:mikä on laserdiodi?
Salamalamput: Salamalamput ovat voimakkaita, laaja-alaisia valonlähteitä, joita käytetään yleisesti puolijohdelaserien, kuten rubiini- tai Nd:YAG-laserien, pumppaamiseen.Ne tarjoavat korkean intensiteetin valopurskeen, joka virittää lasermedian.
Valokaarilamput: Samanlaiset kuin salamalamput, mutta ne on suunniteltu jatkuvaan käyttöön, kaarilamput tarjoavat tasaisen voimakkaan valon lähteen.Niitä käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan jatkuvan aallon (CW) lasertoimintaa.
LEDit (Light Emitting Diodit): Vaikka LEDit eivät ole yhtä yleisiä kuin laserdiodit, niitä voidaan käyttää optiseen pumppaamiseen tietyissä pienitehoisissa sovelluksissa.Ne ovat edullisia pitkän käyttöiän, alhaisten kustannusten ja saatavuuden vuoksi eri aallonpituuksilla.
Auringonvalo: Joissakin kokeellisissa järjestelyissä keskittynyttä auringonvaloa on käytetty aurinkopumppaavien lasereiden pumppulähteenä.Tämä menetelmä hyödyntää aurinkoenergiaa, mikä tekee siitä uusiutuvan ja kustannustehokkaan lähteen, vaikka se on vähemmän hallittavissa ja vähemmän voimakas verrattuna keinotekoisiin valonlähteisiin.
Kuitukytketyt laserdiodit: Nämä ovat optisiin kuituihin kytkettyjä laserdiodeja, jotka välittävät pumpun valon tehokkaammin laserväliaineeseen.Tämä menetelmä on erityisen hyödyllinen kuitulasereissa ja tilanteissa, joissa pumppuvalon tarkka toimitus on ratkaisevan tärkeää.
Muut laserit: Joskus yhtä laseria käytetään toisen pumppaamiseen.Esimerkiksi taajuuskaksinkertaista Nd:YAG-laseria voidaan käyttää väriainelaserin pumppaamiseen.Tätä menetelmää käytetään usein, kun pumppausprosessiin tarvitaan tiettyjä aallonpituuksia, joita ei ole helppo saavuttaa tavanomaisilla valonlähteillä.
Diodipumpattu puolijohdelaser
Alkuperäinen energialähde: Prosessi alkaa diodilaserilla, joka toimii pumpun lähteenä.Diodilaserit on valittu niiden tehokkuuden, kompaktin koon ja kyvyn lähettää valoa tietyillä aallonpituuksilla.
Pumpun valo:Diodilaser lähettää valoa, joka absorboituu solid-state-vahvistusväliaineeseen.Diodilaserin aallonpituus on räätälöity vastaamaan vahvistusväliaineen absorptio-ominaisuuksia.
Solid StateSaavuta keskitasoa
Materiaali:DPSS-laserien vahvistusväliaine on tyypillisesti solid-state-materiaalia, kuten Nd:YAG (neodyymiseostettu yttrium-alumiinigranaatti), Nd:YVO4 (neodyymiseostettu yttriumortovanadaatti) tai Yb:YAG (ytterbium-seostettu yttrium-alumiinigranaatti).
Doping:Nämä materiaalit on seostettu harvinaisten maametallien ioneilla (kuten Nd tai Yb), jotka ovat aktiivisia laserioneja.
Energian absorptio ja viritys:Kun diodilaserista tuleva pumppuvalo tulee vahvistusväliaineeseen, harvinaisten maametallien ionit absorboivat tämän energian ja kiihtyvät korkeampiin energiatiloihin.
Väestön inversio
Väestön inversion saavuttaminen:Lasertoiminnan avain on populaation inversion saavuttaminen vahvistusväliaineessa.Tämä tarkoittaa, että virittyneessä tilassa on enemmän ioneja kuin perustilassa.
Stimuloitu emissio:Kun populaation inversio on saavutettu, virittyneen ja perustilan välistä energiaeroa vastaavan fotonin lisääminen voi stimuloida virittyneitä ioneja palaamaan perustilaan lähettäen samalla fotonin.
Optinen resonaattori
Peilit: Vahvistusväliaine sijoitetaan optisen resonaattorin sisään, joka muodostuu tyypillisesti kahdesta peilistä väliaineen kummassakin päässä.
Palaute ja vahvistus: Toinen peileistä on erittäin heijastava ja toinen osittain heijastava.Fotonit pomppivat edestakaisin näiden peilien välillä stimuloiden lisää päästöjä ja vahvistaen valoa.
Laser-emissio
Koherentti valo: Säteilevät fotonit ovat koherentteja, mikä tarkoittaa, että ne ovat samassa vaiheessa ja niillä on sama aallonpituus.
Tulos: Osittain heijastava peili päästää osan tästä valosta läpi muodostaen lasersäteen, joka poistuu DPSS-laserista.
Pumppausgeometriat: Pumppaus sivulta vs. päähän
| Pumppausmenetelmä | Kuvaus | Sovellukset | Edut | Haasteet |
|---|---|---|---|---|
| Pumppaus sivulta | Pumpun valo syötetään kohtisuoraan laserväliaineeseen nähden | Tanko- tai kuitulaserit | Pumpun valon tasainen jakautuminen, sopii suuritehoisiin sovelluksiin | Epätasainen vahvistuksen jakautuminen, heikompi säteen laatu |
| Lopeta pumppaus | Pumpun valo on suunnattu samaa akselia pitkin kuin lasersäde | Solid-state laserit, kuten Nd:YAG | Tasainen vahvistuksen jakautuminen, parempi säteen laatu | Monimutkainen kohdistus, vähemmän tehokas lämmönpoisto suuritehoisissa lasereissa |
Vaatimukset tehokkaalle pumpun valolle
| Vaatimus | Merkitys | Vaikutus/tasapaino | Lisämerkinnät |
|---|---|---|---|
| Taajuussopivuus | Aallonpituuden on vastattava laserväliaineen absorptiospektriä | Varmistaa tehokkaan imeytymisen ja tehokkaan populaation inversion | - |
| Intensiteetti | Sen on oltava riittävän korkea haluttua viritystasoa varten | Liian korkeat intensiteetit voivat aiheuttaa lämpövaurioita;liian alhainen ei saavuta väestön inversiota | - |
| Säteen laatu | Erityisen kriittinen päätepumpattavissa lasereissa | Varmistaa tehokkaan kytkennän ja edistää lähetetyn lasersäteen laatua | Korkea säteen laatu on ratkaisevan tärkeää pumpun valon ja lasertilan äänenvoimakkuuden tarkan päällekkäisyyden kannalta |
| Polarisaatio | Vaaditaan väliaineille, joilla on anisotrooppisia ominaisuuksia | Parantaa absorptiotehokkuutta ja voi vaikuttaa emittoidun laservalon polarisaatioon | Tietty polarisaatiotila voi olla tarpeen |
| Voimakkuus Melu | Matala melutaso on ratkaisevan tärkeää | Pumpun valon voimakkuuden vaihtelut voivat vaikuttaa lasertulosteen laatuun ja vakauteen | Tärkeä sovelluksissa, jotka vaativat suurta vakautta ja tarkkuutta |
Postitusaika: 1.12.2023