Підпишіться на наші соціальні мережі для оперативної публікації
По суті, лазерне накачування – це процес заряджання середовища енергією для досягнення стану, в якому воно може випромінювати лазерне світло. Зазвичай це робиться шляхом введення світла або електричного струму в середовище, що збуджує його атоми та призводить до випромінювання когерентного світла. Цей фундаментальний процес значно еволюціонував з моменту появи перших лазерів у середині 20-го століття.
Хоча лазерне накачування часто моделюється рівняннями швидкості, воно є фундаментально квантово-механічним процесом. Воно включає складні взаємодії між фотонами та атомною або молекулярною структурою середовища, що підсилює. Розширені моделі враховують такі явища, як коливання Рабі, що забезпечує більш тонке розуміння цих взаємодій.
Лазерне накачування – це процес, у якому енергія, зазвичай у формі світла або електричного струму, подається до середовища підсилення лазера, щоб перевести його атоми або молекули у вищі енергетичні стани. Ця передача енергії є вирішальною для досягнення інверсії населеності, стану, коли збуджується більше частинок, ніж у стані з нижчою енергією, що дозволяє середовищу підсилювати світло за допомогою вимушеного випромінювання. Процес включає складні квантові взаємодії, які часто моделюються за допомогою рівнянь швидкості або більш просунутих квантово-механічних структур. Ключові аспекти включають вибір джерела накачування (наприклад, лазерні діоди або розрядні лампи), геометрію накачування (бічне або торцеве накачування) та оптимізацію характеристик світла накачування (спектр, інтенсивність, якість променя, поляризація) відповідно до конкретних вимог середовища підсилення. Лазерне накачування є фундаментальним у різних типах лазерів, включаючи твердотільні, напівпровідникові та газові лазери, і є важливим для ефективної та результативної роботи лазера.
Різновиди лазерів з оптичним накачуванням
1. Твердотільні лазери з легованими ізоляторами
· Огляд:Ці лазери використовують електроізолююче середовище-основу та покладаються на оптичне накачування для активації лазерно-активних іонів. Типовим прикладом є неодим в YAG-лазерах.
·Нещодавні дослідження:У дослідженні А. Антипова та ін. обговорюється твердотільний лазер ближнього інфрачервоного діапазону для спін-обмінного оптичного накачування. Це дослідження підкреслює досягнення в технології твердотільних лазерів, особливо в ближньому інфрачервоному спектрі, який має вирішальне значення для таких застосувань, як медична візуалізація та телекомунікації.
Додаткова інформація:Твердотільний лазер ближнього ІЧ-діапазону для спін-обмінного оптичного накачування
2. Напівпровідникові лазери
·Загальна інформація: Зазвичай напівпровідникові лазери з електричним накачуванням можуть також отримати переваги оптичного накачування, особливо в застосуваннях, що вимагають високої яскравості, таких як лазери з вертикальним зовнішнім резонатором та поверхневим випромінюванням (VECSEL).
·Останні розробки: Робота У. Келлера над оптичними частотними гребенями від надшвидких твердотільних та напівпровідникових лазерів дає уявлення про генерацію стабільних частотних гребенів від твердотільних та напівпровідникових лазерів з діодним накачуванням. Цей прогрес є важливим для застосувань в оптичній метрології частот.
Додаткова інформація:Оптичні частотні гребінці від надшвидких твердотільних та напівпровідникових лазерів
3. Газові лазери
·Оптичне накачування в газових лазерах: Деякі типи газових лазерів, такі як лазери на лужних парах, використовують оптичне накачування. Ці лазери часто використовуються в застосунках, що потребують когерентних джерел світла зі специфічними властивостями.
Джерела для оптичного накачування
Газорозрядні лампиРозрядні лампи, поширені в лазерах з ламповим накачуванням, використовуються завдяки своїй високій потужності та широкому спектру. Ю.А. Мандрико та ін. розробили енергетичну модель генерації імпульсного дугового розряду в активних середовищах ксенонових ламп з оптичним накачуванням твердотільних лазерів. Ця модель допомагає оптимізувати продуктивність імпульсних ламп накачування, що є вирішальним для ефективної роботи лазера.
Лазерні діоди:Використовувані в лазерах з діодним накачуванням, лазерні діоди пропонують такі переваги, як висока ефективність, компактний розмір і можливість точного налаштування.
Додаткова інформація:що таке лазерний діод?
Лампи-спалахиЛампи-спалахи – це інтенсивні джерела світла широкого спектру, які зазвичай використовуються для накачування твердотільних лазерів, таких як рубінові або Nd:YAG-лазери. Вони забезпечують високоінтенсивний спалах світла, який збуджує лазерне середовище.
Дугові лампиПодібні до ламп-спалахів, але призначені для безперервної роботи, дугові лампи пропонують стабільне джерело інтенсивного світла. Вони використовуються в тих випадках, коли потрібна робота лазера безперервної хвилі (CW).
Світлодіоди (світлодіоди)Хоча світлодіоди не такі поширені, як лазерні діоди, вони можуть використовуватися для оптичного накачування в певних малопотужних застосуваннях. Вони мають переваги завдяки тривалому терміну служби, низькій вартості та доступності на різних довжинах хвиль.
Сонячне світлоУ деяких експериментальних установках концентроване сонячне світло використовувалося як джерело накачування для лазерів із сонячним накачуванням. Цей метод використовує сонячну енергію, що робить його відновлюваним та економічно ефективним джерелом, хоча він менш керований та менш інтенсивний порівняно зі штучними джерелами світла.
Волоконо-зв'язані лазерні діодиЦе лазерні діоди, з'єднані з оптичними волокнами, які ефективніше подають світло накачування до лазерного середовища. Цей метод особливо корисний у волоконних лазерах та в ситуаціях, коли точна подача світла накачування є критично важливою.
Інші лазериІноді один лазер використовується для накачування іншого. Наприклад, Nd:YAG-лазер з подвоєною частотою може бути використаний 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 енергіїПроцес починається з діодного лазера, який служить джерелом накачування. Діодні лазери обираються завдяки їхній ефективності, компактному розміру та здатності випромінювати світло на певних довжинах хвиль.
Індикатор насоса:Діодний лазер випромінює світло, яке поглинається твердотільним середовищем підсилення. Довжина хвилі діодного лазера підбирається відповідно до характеристик поглинання середовища підсилення.
ТвердотільнийСередній коефіцієнт посилення
Матеріал:Підсилювальним середовищем у DPSS-лазерах зазвичай є твердотільний матеріал, такий як Nd:YAG (легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат), Nd:YVO4 (легований неодимом ітрій-ортованадат) або Yb:YAG (легований ітербієм ітрій-алюмінієвий гранат).
Допінг:Ці матеріали леговані іонами рідкісноземельних елементів (такими Nd або Yb), які є активними лазерними іонами.
Поглинання та збудження енергії:Коли світло накачування від діодного лазера потрапляє в середовище підсилення, іони рідкісноземельних елементів поглинають цю енергію та збуджуються до вищих енергетичних станів.
Інверсія популяції
Досягнення інверсії популяції:Ключем до дії лазера є досягнення інверсії населеності в середовищі посилення. Це означає, що більше іонів знаходиться у збудженому стані, ніж в основному.
Вимушене випромінювання:Після досягнення інверсії населеності, введення фотона, що відповідає різниці енергій між збудженим та основним станами, може стимулювати повернення збуджених іонів до основного стану, випромінюючи при цьому фотон.
Оптичний резонатор
Дзеркала: Підсилювальне середовище розміщується всередині оптичного резонатора, який зазвичай утворений двома дзеркалами на кожному кінці середовища.
Зворотний зв'язок та посилення: Одне з дзеркал має високу відбивну здатність, а інше — частково. Фотони відбиваються між цими дзеркалами, стимулюючи більше випромінювань та посилюючи світло.
Лазерне випромінювання
Когерентне світло: Фотони, що випромінюються, є когерентними, тобто вони знаходяться у фазі та мають однакову довжину хвилі.
Вихід: Частково відбивне дзеркало пропускає частину цього світла, формуючи лазерний промінь, який виходить з лазера DPSS.
Геометрія накачування: бічне та торцеве накачування
| Метод відкачування | Опис | Застосування | Переваги | Виклики |
|---|---|---|---|---|
| Бічне накачування | Світло накачування, що вводиться перпендикулярно до лазерного середовища | Стрижневі або волоконні лазери | Рівномірний розподіл світла насоса, що підходить для застосувань з високою потужністю | Нерівномірний розподіл посилення, якість нижнього променя |
| Кінець відкачування | Світло накачування спрямоване вздовж тієї ж осі, що й лазерний промінь | Твердотільні лазери, такі як Nd:YAG | Рівномірний розподіл посилення, вища якість променя | Складне вирівнювання, менш ефективне розсіювання тепла у 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 популяції | - |
| Інтенсивність | Повинен бути достатньо високим для бажаного рівня збудження | Надто висока інтенсивність може спричинити термічне пошкодження; занадто низька не призведе до інверсії популяцій | - |
| Якість променя | Особливо критично для лазерів з торцевим накачуванням | Забезпечує ефективне з'єднання та сприяє якості випромінюваного лазерного променя | Якість високого променя має вирішальне значення для точного перекриття світла накачування та об'єму лазерного режиму |
| Поляризація | Необхідно 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 є вирішальним | Коливання інтенсивності світла накачування можуть впливати на якість та стабільність лазерного випромінювання | Важливо для застосувань, що вимагають високої стабільності та точності |
Час публікації: 01 грудня 2023 р.