Подпишитесь на наши социальные сети, чтобы получать быстрые публикации
По своей сути лазерная накачка — это процесс подачи энергии в среду для достижения состояния, в котором она может излучать лазерный свет. Обычно это делается путем введения света или электрического тока в среду, возбуждая ее атомы и приводя к излучению когерентного света. Этот основополагающий процесс значительно изменился с момента появления первых лазеров в середине 20-го века.
Хотя лазерная накачка часто моделируется уравнениями скорости, по своей сути она представляет собой квантовомеханический процесс. Он включает в себя сложные взаимодействия между фотонами и атомной или молекулярной структурой усиливающей среды. Расширенные модели учитывают такие явления, как колебания Раби, которые обеспечивают более детальное понимание этих взаимодействий.
Лазерная накачка — это процесс, при котором энергия, обычно в виде света или электрического тока, подается в усиливающую среду лазера для перевода его атомов или молекул в более высокие энергетические состояния. Эта передача энергии имеет решающее значение для достижения инверсии населенности — состояния, в котором возбуждается больше частиц, чем в состоянии с более низкой энергией, что позволяет среде усиливать свет посредством стимулированного излучения. Этот процесс включает в себя сложные квантовые взаимодействия, часто моделируемые с помощью уравнений скорости или более продвинутых квантово-механических подходов. Ключевые аспекты включают выбор источника накачки (например, лазерных диодов или газоразрядных ламп), геометрии накачки (боковая или торцевая накачка) и оптимизацию характеристик света накачки (спектр, интенсивность, качество луча, поляризация) для соответствия конкретным требованиям получить средний результат. Лазерная накачка имеет основополагающее значение 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 электроизолирующая среда-хозяин, а для подачи энергии лазерно-активным ионам используется оптическая накачка. Типичным примером является неодим в YAG-лазерах.
·Недавние исследования:В исследовании А. Антипова с соавт. обсуждается твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для спин-обменной оптической накачки. Это исследование подчеркивает достижения в области твердотельных лазерных технологий, особенно в ближнем инфракрасном спектре, который имеет решающее значение для таких приложений, как медицинская визуализация и телекоммуникации.
Дальнейшее чтение:Твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для спин-обменной оптической накачки
2. Полупроводниковые лазеры.
·Общая информация: Полупроводниковые лазеры, как правило, с электрической накачкой, также могут получить преимущества от оптической накачки, особенно в приложениях, требующих высокой яркости, таких как лазеры поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором (VECSEL).
·Последние разработки: Работа У. Келлера над гребенками оптических частот сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров дает представление о создании гребенок стабильных частот из твердотельных и полупроводниковых лазеров с диодной накачкой. Это достижение имеет важное значение для приложений в метрологии оптических частот.
Дальнейшее чтение:Гребни оптических частот сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров
3. Газовые лазеры
·Оптическая накачка в газовых лазерах. Некоторые типы газовых лазеров, например, лазеры на парах щелочей, используют оптическую накачку. Эти лазеры часто используются в приложениях, требующих источников когерентного света с особыми свойствами.
Источники оптической накачки
Газоразрядные лампы: Обычно в лазерах с ламповой накачкой используются газоразрядные лампы из-за их высокой мощности и широкого спектра действия. Ю.А. Мандрыко и др. разработала энергетическую модель генерации импульсного дугового разряда в активных средах ксеноновых ламп оптической накачки твердотельных лазеров. Эта модель помогает оптимизировать работу ламп импульсной накачки, что имеет решающее значение для эффективной работы лазера.
Лазерные диоды:Лазерные диоды, используемые в лазерах с диодной накачкой, обладают такими преимуществами, как высокая эффективность, компактные размеры и возможность точной настройки.
Дальнейшее чтение:что такое лазерный диод?
Лампы-вспышки: Лампы-вспышки представляют собой интенсивные источники света широкого спектра, которые обычно используются для накачки твердотельных лазеров, таких как рубиновые или Nd:YAG лазеры. Они обеспечивают вспышку света высокой интенсивности, возбуждающую лазерную среду.
Дуговые лампы: Дуговые лампы аналогичны лампам-вспышкам, но предназначены для непрерывной работы и обеспечивают постоянный источник интенсивного света. Они используются в приложениях, где требуется работа лазера непрерывного действия (CW).
Светодиоды (светоизлучающие диоды): Хотя светодиоды и не так распространены, как лазерные диоды, их можно использовать для оптической накачки в некоторых приложениях с низким энергопотреблением. Их преимущество заключается в их длительном сроке службы, низкой стоимости и доступности на различных длинах волн.
Солнечный свет: В некоторых экспериментальных установках концентрированный солнечный свет использовался в качестве источника накачки для лазеров с солнечной накачкой. Этот метод использует солнечную энергию, что делает ее возобновляемым и экономически эффективным источником, хотя он менее управляем и менее интенсивен по сравнению с искусственными источниками света.
Лазерные диоды с волоконной связью: Это лазерные диоды, соединенные с оптическими волокнами, которые более эффективно доставляют свет накачки в лазерную среду. Этот метод особенно полезен в волоконных лазерах и в ситуациях, когда точная доставка света накачки имеет решающее значение.
Другие лазеры: Иногда один лазер используется для накачки другого. Например, Nd:YAG-лазер с удвоенной частотой может использоваться для накачки лазера на красителе. Этот метод часто используется, когда для процесса накачки требуются определенные длины волн, чего нелегко достичь с помощью обычных источников света.
Твердотельный лазер с диодной накачкой
Начальный источник энергии: Процесс начинается с диодного лазера, который служит источником накачки. Диодные лазеры выбираются из-за их эффективности, компактных размеров и способности излучать свет определенной длины волны.
Свет насоса:Диодный лазер излучает свет, который поглощается твердотельной усиливающей средой. Длина волны диодного лазера подобрана так, чтобы соответствовать характеристикам поглощения усиливающей среды.
ТвердотельныйУсиление среднее
Материал:Усиливающая среда в лазерах DPSS обычно представляет собой твердотельный материал, такой как Nd: YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом), Nd: YVO4 (ортованадат иттрия, легированный неодимом) или Yb: YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный иттербием).
Допинг:Эти материалы легированы редкоземельными ионами (такими как Nd или Yb), которые являются активными лазерными ионами.
Поглощение энергии и возбуждение:Когда свет накачки диодного лазера попадает в усиливающую среду, ионы редкоземельных элементов поглощают эту энергию и переходят в состояния с более высокой энергией.
Инверсия населения
Достижение инверсии населения:Ключом к действию лазера является достижение инверсии населенностей в усиливающей среде. Это означает, что в возбужденном состоянии находится больше ионов, чем в основном.
Стимулированная эмиссия:Как только инверсия населенности достигнута, введение фотона, соответствующего разнице энергий между возбужденным и основным состояниями, может стимулировать возбужденные ионы вернуться в основное состояние, испуская при этом фотон.
Оптический резонатор
Зеркала. Усиливающая среда помещается внутри оптического резонатора, обычно образованного двумя зеркалами на каждом конце среды.
Обратная связь и усиление: одно из зеркал имеет высокую отражающую способность, а другое — частично. Фотоны прыгают взад и вперед между этими зеркалами, стимулируя большее излучение и усиливая свет.
Лазерное излучение
Когерентный свет. Испускаемые фотоны когерентны, то есть находятся в одной фазе и имеют одинаковую длину волны.
Результат: Частично отражающее зеркало пропускает часть этого света, образуя лазерный луч, выходящий из лазера DPSS.
Геометрия накачки: боковая и торцевая накачка
| Метод накачки | Описание | Приложения | Преимущества | Проблемы |
|---|---|---|---|---|
| Боковая накачка | Свет накачки вводится перпендикулярно лазерной среде. | Стержневые или волоконные лазеры | Равномерное распределение света накачки, подходящее для применений с высокой мощностью | Неравномерное распределение усиления, низкое качество луча |
| Конец накачки | Свет накачки направлен вдоль той же оси, что и лазерный луч. | Твердотельные лазеры, такие как Nd:YAG. | Равномерное распределение усиления, более высокое качество луча | Сложная юстировка, менее эффективный отвод 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 населенности. | - |
| Интенсивность | Должно быть достаточно высоким для желаемого уровня возбуждения. | Слишком высокая интенсивность может вызвать термическое повреждение; слишком низкий уровень не приведет к инверсии населенности | - |
| Качество луча | Особенно критично в лазерах с торцевой накачкой. | Обеспечивает эффективное соединение и способствует качеству излучаемого лазерного луча. | Высокое качество луча имеет решающее значение для точного перекрытия объема света накачки и лазерной моды. |
| поляризация | Требуется для сред с анизотропными свойствами. | Повышает эффективность поглощения и может влиять на поляризацию излучаемого лазерного света. | Может потребоваться определенное состояние поляризации. |
| Интенсивность шума | Низкий уровень шума имеет решающее значение | Колебания интенсивности света накачки могут повлиять на качество и стабильность лазерного излучения. | Важно для применений, требующих высокой стабильности и точности. |
Время публикации: 01 декабря 2023 г.