Подпишитесь на наши социальные сети для получения оперативных публикаций
По своей сути, лазерная накачка — это процесс возбуждения среды для достижения состояния, в котором она может испускать 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 эволюционировал с момента появления первых лазеров в середине 20-го века.
Хотя часто моделируется уравнениями скорости, лазерная накачка по сути является квантово-механическим процессом. Она включает в себя сложные взаимодействия между фотонами и атомной или молекулярной структурой усиливающей среды. Продвинутые модели рассматривают такие явления, как осцилляции Раби, которые обеспечивают более тонкое понимание этих взаимодействий.
Лазерная накачка — это процесс, при котором энергия, обычно в форме света или электрического тока, подается в среду усиления лазера для перевода ее 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 более низком энергетическом состоянии, что позволяет среде усиливать свет посредством вынужденного излучения. Процесс включает в себя сложные квантовые взаимодействия, часто моделируемые с помощью уравнений скорости или более продвинутых квантово-механических структур. Ключевые аспекты включают выбор источника накачки (например, лазерных диодов или газоразрядных ламп), геометрию накачки (боковая или торцевая накачка) и оптимизацию характеристик света накачки (спектр, интенсивность, качество луча, поляризация) для соответствия конкретным требованиям среды усиления. Лазерная накачка имеет основополагающее значение в различных типах лазеров, включая твердотельные, полупроводниковые и газовые лазеры, и имеет важное значение для эффективной и действенной работы лазера.
Разновидности лазеров с оптической накачкой
1. Твердотельные лазеры с легированными изоляторами
· Обзор:Эти лазеры используют электроизолирующую среду-хозяина и полагаются на оптическую накачку для возбуждения лазерно-активных ионов. Распространенным примером является неодим в лазерах YAG.
·Недавние исследования:Исследование А. Антипова и др. рассматривает твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для спин-обменной оптической накачки. Это исследование подчеркивает достижения в технологии твердотельных лазеров, 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 извлечь выгоду из оптической накачки, особенно в приложениях, требующих высокой яркости, таких как вертикальные внешние резонаторы поверхностного излучения (VECSEL).
·Последние разработки: работа У. Келлера над оптическими частотными гребнями от сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров дает представление о генерации стабильных частотных гребней от твердотельных и полупроводниковых лазеров с диодной накачкой. Это достижение имеет важное значение для приложений в метрологии оптических частот.
Дальнейшее чтение:Оптические частотные гребни от сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров
3. Газовые лазеры
·Оптическая накачка в газовых лазерах: некоторые типы газовых лазеров, например, лазеры на щелочных парах, используют оптическую накачку. Эти лазеры часто используются в приложениях, требующих когерентных источников света с определенными свойствами.
Источники оптической накачки
Разрядные лампы: Распространенные в лазерах с ламповой накачкой, разрядные лампы используются из-за их высокой мощности и широкого спектра. Ю.А. Мандрыко и др. разработали модель мощности генерации импульсного дугового разряда в активных средах оптической накачки ксеноновых ламп твердотельных лазеров. Эта модель помогает оптимизировать производительность импульсных ламп накачки, что имеет решающее значение для эффективной работы лазера.
Лазерные диоды:Используемые в лазерах с диодной накачкой лазерные диоды обладают такими преимуществами, как высокая эффективность, компактный размер и возможность точной настройки.
Дальнейшее чтение:что такое лазерный диод?
Вспышки Лампы: Импульсные лампы — это интенсивные источники света широкого спектра, которые обычно используются для накачки твердотельных лазеров, таких как рубиновые или лазеры Nd:YAG. Они обеспечивают высокоинтенсивный всплеск света, который возбуждает лазерную среду.
Дуговые лампы: Подобно импульсным лампам, но разработанным для непрерывной работы, дуговые лампы предлагают постоянный источник интенсивного света. Они используются в приложениях, где требуется работа лазера непрерывной волны (CW).
Светодиоды (светоизлучающие диоды): Хотя светодиоды не так распространены, как лазерные диоды, их можно использовать для оптической накачки в некоторых маломощных приложениях. Они выгодны благодаря своему долгому сроку службы, низкой стоимости и доступности в 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 контролируем и менее интенсивен по сравнению с искусственными источниками света.
Волоконно-связанные лазерные диоды: 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, лазер Nd:YAG с удвоенной частотой может использоваться для накачки лазера на красителе. Этот метод часто используется, когда для процесса накачки требуются определенные длины волн, которые нелегко получить с помощью обычных источников света.
Твердотельный лазер с диодной накачкой
Первоначальный источник энергии: Процесс начинается с диодного лазера, который служит источником накачки. Диодные лазеры выбираются за их эффективность, компактный размер и способность излучать свет на определенных длинах волн.
Свет насоса:Диодный лазер излучает свет, который поглощается твердотельной усиливающей средой. Длина волны диодного лазера подбирается в соответствии с характеристиками поглощения усиливающей среды.
ТвердотельныйСредний уровень усиления
Материал:В качестве активной среды в DPSS-лазерах обычно используется 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 ионами редкоземельных металлов (например, Nd или Yb), которые являются активными ионами лазера.
Поглощение энергии и возбуждение:Когда свет накачки от диодного лазера попадает в усиливающую среду, редкоземельные ионы поглощают эту энергию и возбуждаются до более высоких энергетических состояний.
Инверсия населения
Достижение инверсии заселенности:Ключ к действию лазера — достижение инверсии населенности в среде усиления. Это означает, что в возбужденном состоянии находится больше ионов, чем в основном состоянии.
Стимулированная эмиссия:После достижения инверсии населенности 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 внутрь оптического резонатора, обычно образованного двумя зеркалами на каждом конце среды.
Обратная связь и усиление: одно из зеркал имеет высокую отражательную способность, а другое — частичную. Фотоны отскакивают вперед и назад между этими зеркалами, стимулируя больше излучений и усиливая свет.
Лазерное излучение
Когерентный свет: излучаемые фотоны когерентны, то есть они находятся в фазе и имеют одинаковую длину волны.
Выход: Частично отражающее зеркало пропускает часть этого света, формируя лазерный луч, который выходит из лазера DPSS.
Геометрия накачки: боковая и торцевая накачка
| Метод накачки | Описание | Приложения | Преимущества | Вызовы |
|---|---|---|---|---|
| Боковая прокачка | Свет накачки вводится перпендикулярно лазерной среде | Стержневые или волоконные лазеры | Равномерное распределение света накачки, подходит для приложений высокой мощности | Неравномерное распределение усиления, низкое качество луча |
| Конец прокачки | Свет накачки направлен вдоль той же оси, что и лазерный луч | Твердотельные лазеры типа Nd:YAG | Равномерное распределение усиления, более высокое качество луча | Сложная юстировка, менее эффективное рассеивание тепла в мощных лазерах |
Требования к эффективному световому насосу
| Требование | Важность | Удар/Баланс | Дополнительные примечания |
|---|---|---|---|
| Пригодность спектра | Длина волны должна соответствовать спектру поглощения лазерной среды. | Обеспечивает эффективное поглощение и эффективную инверсию заселенности | - |
| Интенсивность | Должен быть достаточно высоким для желаемого уровня возбуждения | Слишком высокая интенсивность может вызвать термическое повреждение; слишком низкая не позволит достичь инверсии заселенности. | - |
| Качество луча | Особенно критично для лазеров с торцевой накачкой. | Обеспечивает эффективное соединение и способствует повышению качества излучаемого лазерного луча. | Высокое качество луча имеет решающее значение для точного перекрытия светового потока накачки и объема 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 выходного сигнала лазера. | Важно для приложений, требующих высокой стабильности и точности. |
Время публикации: 01.12.2023