Підпишіться на наші соціальні мережі, щоб отримувати оперативні публікації
По суті, лазерне накачування – це процес подачі енергії в середовище для досягнення стану, коли воно може випромінювати лазерне світло. Зазвичай це робиться шляхом введення світла або електричного струму в середовище, збудження його атомів і призведення до випромінювання когерентного світла. Цей фундаментальний процес значно змінився з часу появи перших лазерів у середині 20 століття.
Хоча лазерне накачування часто моделюється за допомогою рівнянь швидкості, це принципово квантово-механічний процес. Він передбачає складну взаємодію між фотонами та атомною або молекулярною структурою середовища підсилення. Розширені моделі розглядають такі явища, як коливання Рабі, що забезпечує більш детальне розуміння цих взаємодій.
Лазерне накачування — це процес, у якому енергія, як правило, у формі світла або електричного струму, подається в середовище посилення лазера, щоб підняти його атоми або молекули до вищих енергетичних станів. Ця передача енергії має вирішальне значення для досягнення інверсії населеності, стану, коли більше частинок збуджується, ніж у стані з нижчою енергією, що дозволяє середовищу посилювати світло за допомогою стимульованого випромінювання. Процес включає складні квантові взаємодії, які часто моделюються за допомогою рівнянь швидкості або більш досконалих систем квантової механіки. Ключові аспекти включають вибір джерела накачування (наприклад, лазерні діоди або газорозрядні лампи), геометрію насоса (накачування збоку чи з кінця) та оптимізацію характеристик світла накачування (спектр, інтенсивність, якість променя, поляризація) відповідно до конкретних вимог приріст середній. Лазерне накачування є фундаментальним для різних типів лазерів, включаючи твердотільні, напівпровідникові та газові лазери, і має важливе значення для ефективної та ефективної роботи лазера.
Різновиди лазерів з оптичною накачкою
1. Твердотільні лазери з легованими ізоляторами
· Огляд:Ці лазери використовують електроізоляційне базове середовище та покладаються на оптичну накачування для активації лазерно-активних іонів. Типовим прикладом є неодим в YAG-лазерах.
·Останні дослідження:Дослідження А. Антипова та ін. обговорюється твердотільний лазер ближнього ІЧ-діапазону для спін-обмінної оптичної накачки. Це дослідження підкреслює досягнення в технології твердотільного лазера, зокрема в ближньому інфрачервоному спектрі, що є вирішальним для таких застосувань, як медична візуалізація та телекомунікації.
Додаткова інформація:Твердотільний ближній ІЧ-лазер для спін-обмінної оптичної накачки
2. Напівпровідникові лазери
·Загальна інформація: напівпровідникові лазери, як правило, з електричним накачуванням, також можуть отримати переваги від оптичного накачування, особливо в додатках, що вимагають високої яскравості, таких як лазери з вертикальним зовнішнім резонатором, що випромінюють поверхню (VECSEL).
·Останні розробки: робота У. Келлера над оптичними частотними гребінками від надшвидких твердотільних і напівпровідникових лазерів дає уявлення про генерацію стабільних частотних гребінок від твердотільних і напівпровідникових лазерів з діодним накачуванням. Цей прогрес важливий для застосування в метрології оптичної частоти.
Додаткова інформація:Оптичні частотні гребінки від надшвидких твердотільних і напівпровідникових лазерів
3. Газові лазери
·Оптичне накачування в газових лазерах: деякі типи газових лазерів, як-от лазери на парі лугу, використовують оптичне накачування. Ці лазери часто використовуються в програмах, що вимагають когерентних джерел світла зі спеціальними властивостями.
Джерела для оптичної накачки
Газорозрядні лампи: газорозрядні лампи, які зазвичай використовуються в лазерах з ламповою накачкою, використовуються через їх високу потужність і широкий спектр. Ю.А.Мандрико та ін. розроблено енергетичну модель генерації імпульсного дугового розряду в активних середовищах оптичної накачування ксенонових ламп твердотільних лазерів. Ця модель допомагає оптимізувати продуктивність ламп із імпульсним накачуванням, що має вирішальне значення для ефективної роботи лазера.
Лазерні діоди:Лазерні діоди, які використовуються в лазерах з діодним накачуванням, мають такі переваги, як висока ефективність, компактні розміри та можливість точного налаштування.
Додаткова інформація:що таке лазерний діод?
Лампи спалахи: Лампи-спалахи – це інтенсивні джерела світла широкого спектру, які зазвичай використовуються для накачування твердотільних лазерів, таких як рубінові або Nd:YAG лазери. Вони забезпечують спалах світла високої інтенсивності, який збуджує лазерне середовище.
Дугові лампи: Подібні до спалахів, але призначені для безперервної роботи, дугові лампи пропонують постійне джерело інтенсивного світла. Вони використовуються в програмах, де необхідна робота лазера безперервної хвилі (CW).
Світлодіоди (світлодіоди): Хоча світлодіоди не такі поширені, як лазерні діоди, їх можна використовувати для оптичного накачування в певних малопотужних додатках. Вони мають перевагу завдяки тривалому терміну служби, низькій вартості та доступності в різних довжинах хвиль.
Сонячне світло: У деяких експериментальних установках концентроване сонячне світло використовувалося як джерело накачування для лазерів із сонячною накачкою. Цей метод використовує сонячну енергію, що робить її поновлюваним і економічно ефективним джерелом, хоча він менш керований і менш інтенсивний порівняно зі штучними джерелами світла.
Оптоволоконні лазерні діоди: це лазерні діоди, з’єднані з оптичними волокнами, які ефективніше передають світло накачування в лазерне середовище. Цей метод особливо корисний у волоконних лазерах і в ситуаціях, коли точна доставка світла накачки має вирішальне значення.
Інші лазери: іноді один лазер використовується для накачування іншого. Наприклад, Nd: YAG-лазер із подвоєною частотою можна використовувати для накачування лазера на барвнику. Цей метод часто використовується, коли для процесу накачування потрібні певні довжини хвиль, чого нелегко досягти за допомогою звичайних джерел світла.
Твердотільний лазер з діодним накачуванням
Початкове джерело енергії: Процес починається з діодного лазера, який служить джерелом накачування. Діодні лазери вибирають через їхню ефективність, компактний розмір і здатність випромінювати світло певної довжини хвилі.
Світло насоса:Діодний лазер випромінює світло, яке поглинається твердотільним середовищем посилення. Довжина хвилі діодного лазера налаштовується відповідно до характеристик поглинання середовища підсилення.
ТвердотільнийПосилення Середнє
матеріал:Середовище підсилення в лазерах DPSS зазвичай є твердотільним матеріалом, таким як Nd:YAG (ітрієвий алюмінієвий гранат, легований неодимом), Nd:YVO4 (ортованадат ітрію, легований неодимом), або Yb:YAG (ітрієвий алюмінієвий гранат, легований ітербієм).
Допінг:Ці матеріали леговані рідкоземельними іонами (наприклад, Nd або Yb), які є активними лазерними іонами.
Поглинання та збудження енергії:Коли світло накачки від діодного лазера потрапляє в середовище посилення, рідкоземельні іони поглинають цю енергію та збуджуються до вищих енергетичних станів.
Інверсія населення
Досягнення інверсії населення:Ключем до дії лазера є досягнення інверсії населеності в середовищі посилення. Це означає, що у збудженому стані перебуває більше іонів, ніж в основному.
Стимульоване випромінювання:Після досягнення інверсії заселеності введення фотона, що відповідає різниці енергій між збудженим і основним станами, може стимулювати збуджені іони повернутися в основний стан, випромінюючи при цьому фотон.
Оптичний резонатор
Дзеркала: середовище підсилення поміщається всередину оптичного резонатора, зазвичай утвореного двома дзеркалами на кожному кінці середовища.
Зворотний зв'язок і посилення: одне з дзеркал має високу відбивну здатність, а інше - частково. Фотони відскакують туди-сюди між цими дзеркалами, стимулюючи більше випромінювання та посилюючи світло.
Лазерне випромінювання
Когерентне світло: фотони, які випромінюються, когерентні, тобто вони знаходяться в фазі та мають однакову довжину хвилі.
Результат: частково відбиваюче дзеркало пропускає частину світла, утворюючи лазерний промінь, який виходить із лазера DPSS.
Геометрії накачування: накачування збоку чи з кінця
| Насосний метод | опис | Додатки | Переваги | Виклики |
|---|---|---|---|---|
| Бокова накачування | Світло накачування вводиться перпендикулярно лазерному середовищу | Стрижневі або волоконні лазери | Рівномірний розподіл світла насоса, придатний для застосування з високою потужністю | Нерівномірний розподіл підсилення, нижча якість променя |
| Кінець накачування | Накачування світла спрямоване вздовж тієї ж осі, що і лазерний промінь | Твердотільні лазери, такі як Nd:YAG | Рівномірний розподіл підсилення, вища якість променя | Складне вирівнювання, менш ефективне розсіювання тепла в потужних лазерах |
Вимоги до ефективного освітлення насоса
| Вимога | Важливість | Вплив/Баланс | Додаткові примітки |
|---|---|---|---|
| Придатність спектру | Довжина хвилі повинна відповідати спектру поглинання лазерного середовища | Забезпечує ефективне поглинання та ефективну інверсію населення | - |
| Інтенсивність | Має бути достатньо високим для бажаного рівня збудження | Надто висока інтенсивність може спричинити термічне пошкодження; занадто низький не досягне інверсії населення | - |
| Якість променя | Особливо критично в лазерах з кінцевою накачкою | Забезпечує ефективне з'єднання та сприяє якості випромінюваного лазерного променя | Висока якість променя має вирішальне значення для точного перекриття світла накачування та гучності лазерного режиму |
| Поляризація | Необхідний для середовищ з анізотропними властивостями | Підвищує ефективність поглинання та може впливати на поляризацію випромінюваного лазерного світла | Може знадобитися певний стан поляризації |
| Інтенсивність шуму | Низький рівень шуму має вирішальне значення | Коливання інтенсивності світла накачки можуть вплинути на якість і стабільність лазерного випромінювання | Важливо для застосувань, що вимагають високої стабільності та точності |
Час публікації: 01 грудня 2023 р