Подпишитесь на наши страницы в социальных сетях, чтобы получать оперативные публикации.
По своей сути, лазерная накачка — это процесс возбуждения среды для достижения состояния, в котором она может излучать лазерный свет. Обычно это достигается путем введения света или электрического тока в среду, возбуждения ее атомов и, как следствие, излучения когерентного света. Этот фундаментальный процесс значительно эволюционировал со времени появления первых лазеров в середине XX века.
Хотя лазерная накачка часто моделируется уравнениями скоростей, по своей сути это квантово-механический процесс. Он включает в себя сложные взаимодействия между фотонами и атомной или молекулярной структурой активной среды. Более совершенные модели рассматривают такие явления, как колебания Раби, которые обеспечивают более тонкое понимание этих взаимодействий.
Лазерная накачка — это процесс, при котором энергия, обычно в виде света или электрического тока, подается в активную среду лазера для повышения энергии атомов или молекул до более высоких энергетических состояний. Эта передача энергии имеет решающее значение для достижения инверсии населенности — состояния, в котором возбуждено больше частиц, чем в более низком энергетическом состоянии, что позволяет среде усиливать свет посредством стимулированного излучения. Этот процесс включает в себя сложные квантовые взаимодействия, часто моделируемые с помощью уравнений скоростей или более сложных квантово-механических моделей. Ключевые аспекты включают выбор источника накачки (например, лазерных диодов или разрядных ламп), геометрию накачки (боковая или торцевая накачка) и оптимизацию характеристик света накачки (спектр, интенсивность, качество пучка, поляризация) в соответствии со специфическими требованиями активной среды. Лазерная накачка является фундаментальной для различных типов лазеров, включая твердотельные, полупроводниковые и газовые лазеры, и необходима для эффективной и результативной работы лазера.
Разновидности лазеров с оптической накачкой
1. Твердотельные лазеры с легированными изоляторами
· Обзор:В этих лазерах используется электрически изолирующая среда, а для возбуждения лазерно-активных ионов применяется оптическая накачка. Распространенным примером является неодим в YAG-лазерах.
·Последние исследования:В исследовании А. Антипова и соавторов рассматривается твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для оптической накачки с обменом спинов. Это исследование подчеркивает достижения в технологии твердотельных лазеров, особенно в ближнем инфракрасном спектре, который имеет решающее значение для таких применений, как медицинская визуализация и телекоммуникации.
Дополнительная литература:Твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для оптической накачки с обменом спинов.
2. Полупроводниковые лазеры
·Общая информация: Полупроводниковые лазеры, обычно накачиваемые электрическим током, также могут извлекать пользу из оптической накачки, особенно в приложениях, требующих высокой яркости, таких как лазеры с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL).
·Последние достижения: Работа У. Келлера по оптическим частотным гребенкам, получаемым от сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров, дает представление о генерации стабильных частотных гребенок от твердотельных и полупроводниковых лазеров с диодной накачкой. Это достижение имеет важное значение для применения в оптической частотной метрологии.
Дополнительная литература:Оптические частотные гребенки от сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров
3. Газовые лазеры
·Оптическая накачка в газовых лазерах: В некоторых типах газовых лазеров, например, в лазерах на парах щелочных металлов, используется оптическая накачка. Эти лазеры часто применяются в областях, требующих когерентных источников света с определенными свойствами.
Источники оптической накачки
Газоразрядные лампыРазрядные лампы, широко используемые в лазерах с ламповой накачкой, отличаются высокой мощностью и широким спектром излучения. Я. А. Мандрыко и др. разработали модель мощности генерации импульсного дугового разряда в активных средах оптической накачки ксеноновых ламп твердотельных лазеров. Эта модель помогает оптимизировать характеристики импульсных ламп накачки, что крайне важно для эффективной работы лазера.
Лазерные диоды:Лазерные диоды, используемые в диодно-накачиваемых лазерах, обладают такими преимуществами, как высокая эффективность, компактные размеры и возможность точной настройки.
Дополнительная информация:Что такое лазерный диод?
ФонарикиЛампы-вспышки — это интенсивные источники света широкого спектра, которые обычно используются для накачки твердотельных лазеров, таких как рубиновые или Nd:YAG лазеры. Они обеспечивают мощный импульс света, который возбуждает лазерную среду.
Дуговые лампыПодобно импульсным лампам, но предназначенные для непрерывной работы, дуговые лампы обеспечивают стабильный источник интенсивного света. Они используются в тех областях, где требуется работа лазера в режиме непрерывного излучения (CW).
Светодиоды (LED)Хотя светодиоды не так распространены, как лазерные диоды, их можно использовать для оптической накачки в некоторых маломощных приложениях. Их преимущества обусловлены длительным сроком службы, низкой стоимостью и доступностью в различных диапазонах длин волн.
Солнечный светВ некоторых экспериментальных установках концентрированный солнечный свет использовался в качестве источника накачки для лазеров с солнечной накачкой. Этот метод использует солнечную энергию, что делает его возобновляемым и экономически эффективным источником, хотя он менее управляем и менее интенсивен по сравнению с искусственными источниками света.
Волоконно-оптические лазерные диодыЭто лазерные диоды, соединенные с оптическими волокнами, которые более эффективно передают свет накачки в лазерную среду. Этот метод особенно полезен в волоконных лазерах и в ситуациях, когда точная передача света накачки имеет решающее значение.
Другие лазерыИногда один лазер используется для накачки другого. Например, лазер на основе Nd:YAG с удвоением частоты может использоваться для накачки лазера на красителях. Этот метод часто используется, когда для процесса накачки требуются определенные длины волн, которые трудно получить с помощью обычных источников света.
Твердотельный лазер с диодной накачкой
Первоначальный источник энергииПроцесс начинается с диодного лазера, который служит источником накачки. Диодные лазеры выбираются за их эффективность, компактные размеры и способность излучать свет на определенных длинах волн.
Подсветка насоса:Диодный лазер излучает свет, который поглощается твердотельной активной средой. Длина волны диодного лазера подбирается таким образом, чтобы соответствовать характеристикам поглощения активной среды.
ТвердотельныйУсиление Средний
Материал:В качестве активной среды в DPSS-лазерах обычно используется твердотельный материал, такой как Nd:YAG (легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат), Nd:YVO4 (легированный неодимом ортованадат иттрия) или Yb:YAG (легированный иттербием иттрий-алюминиевый гранат).
Допинг:Эти материалы легированы ионами редкоземельных элементов (такими как Nd или Yb), которые являются активными ионами лазера.
Поглощение и возбуждение энергии:Когда свет накачки от диодного лазера попадает в активную среду, ионы редкоземельных элементов поглощают эту энергию и переходят в более высокие энергетические состояния.
Инверсия популяции
Достижение инверсии численности населения:Ключ к лазерному эффекту заключается в достижении инверсии населенности в активной среде. Это означает, что в возбужденном состоянии находится больше ионов, чем в основном состоянии.
Стимулированное излучение:После достижения инверсии населенности введение фотона, соответствующего разности энергий между возбужденным и основным состояниями, может стимулировать возбужденные ионы к возвращению в основное состояние, при этом испуская фотон.
Оптический резонатор
Зеркала: Усиливающая среда помещается внутрь оптического резонатора, обычно образованного двумя зеркалами на каждом конце среды.
Обратная связь и усиление: одно из зеркал обладает высокой отражательной способностью, а другое — частичной. Фотоны отражаются друг от друга между этими зеркалами, стимулируя дальнейшее излучение и усиливая свет.
Лазерное излучение
Когерентный свет: испускаемые фотоны когерентны, то есть находятся в фазе и имеют одинаковую длину волны.
Выходной сигнал: Частично отражающее зеркало пропускает часть этого света, формируя лазерный луч, выходящий из DPSS-лазера.
Варианты геометрии насосных установок: боковая и торцевая перекачка.
| Метод перекачки | Описание | Приложения | Преимущества | Проблемы |
|---|---|---|---|---|
| Боковая накачка | Накачивающий свет вводится перпендикулярно лазерной среде. | Струнные или волоконные лазеры | Равномерное распределение светового потока накачки, подходит для мощных применений. | Неравномерное распределение усиления, более низкое качество пучка |
| Завершение откачки | Накачивающий свет направлен вдоль той же оси, что и лазерный луч. | Твердотельные лазеры, такие как Nd:YAG | Равномерное распределение усиления, более высокое качество пучка | Сложная юстировка, менее эффективное рассеивание тепла в мощных лазерах. |
Требования к эффективному освещению насоса
| Требование | Важность | Влияние/Баланс | Дополнительные примечания |
|---|---|---|---|
| Пригодность спектра | Длина волны должна соответствовать спектру поглощения лазерной среды. | Обеспечивает эффективное поглощение и эффективную инверсию популяции. | - |
| Интенсивность | Должно быть достаточно высоким для достижения желаемого уровня возбуждения. | Слишком высокая интенсивность может вызвать термическое повреждение; слишком низкая интенсивность не приведет к инверсии популяции. | - |
| Качество луча | Это особенно важно для лазеров с торцевой накачкой. | Обеспечивает эффективное сопряжение и способствует улучшению качества излучаемого лазерного луча. | Высокое качество пучка имеет решающее значение для точного совпадения света накачки и объема лазерной моды. |
| Поляризация | Необходимо для сред с анизотропными свойствами. | Повышает эффективность поглощения и может влиять на поляризацию излучаемого лазерного света. | Может потребоваться определённое состояние поляризации. |
| Интенсивность шума | Низкий уровень шума имеет решающее значение. | Колебания интенсивности накачки могут влиять на качество и стабильность лазерного излучения. | Важно для применений, требующих высокой стабильности и точности. |
Дата публикации: 01.12.2023