Подпишитесь на наши социальные сети для получения быстрых публикаций
По сути, лазерная накачка — это процесс возбуждения среды до состояния, в котором она может испускать лазерное излучение. Обычно это достигается путём инжекции света или электрического тока в среду, что возбуждает её атомы и приводит к излучению когерентного света. Этот основополагающий процесс значительно эволюционировал с момента появления первых лазеров в середине XX века.
Хотя лазерная накачка часто моделируется уравнениями скорости, она, по сути, является квантово-механическим процессом. Она включает в себя сложные взаимодействия между фотонами и атомной или молекулярной структурой активной среды. Усовершенствованные модели рассматривают такие явления, как осцилляции Раби, что обеспечивает более детальное понимание этих взаимодействий.
Лазерная накачка — это процесс, при котором энергия, обычно в форме света или электрического тока, подается в активную среду лазера для перевода ее атомов или молекул в более высокие энергетические состояния. Эта передача энергии имеет решающее значение для достижения инверсной населенности, состояния, в котором возбуждено больше частиц, чем в состоянии с более низкой энергией, что позволяет среде усиливать свет посредством вынужденного излучения. Этот процесс включает в себя сложные квантовые взаимодействия, часто моделируемые с помощью уравнений скорости или более сложных квантово-механических подходов. 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 пучка, поляризация) для соответствия конкретным требованиям активной среды. Лазерная накачка является фундаментальной для различных типов лазеров, включая твердотельные, полупроводниковые и газовые лазеры, и необходима для эффективной и производительной работы лазера.
Разновидности лазеров с оптической накачкой
1. Твердотельные лазеры с легированными изоляторами
· Обзор:Эти лазеры используют электроизолирующую среду и оптическую накачку для возбуждения лазерно-активных ионов. Типичным примером является неодим в YAG-лазерах.
·Недавние исследования:В исследовании А. Антипова и др. рассматривается твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для спин-обменной оптической накачки. Это исследование освещает достижения в технологии твердотельных лазеров, особенно в ближнем инфракрасном спектре, который имеет решающее значение для таких приложений, как медицинская визуализация и телекоммуникации.
Дополнительная литература:Твердотельный лазер ближнего ИК-диапазона для спин-обменной оптической накачки
2. Полупроводниковые лазеры
·Общая информация: Полупроводниковые лазеры, как правило, с электрической накачкой, также могут использовать оптическую накачку, особенно в приложениях, требующих высокой яркости, таких как поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным внешним резонатором (VECSEL).
·Последние разработки: Работа У. Келлера по созданию оптических частотных гребенок на основе сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров открывает новые возможности создания стабильных частотных гребенок на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с диодной накачкой. Это достижение имеет важное значение для применения в метрологии оптических частот.
Дополнительная литература:Оптические частотные гребенки от сверхбыстрых твердотельных и полупроводниковых лазеров
3. Газовые лазеры
·Оптическая накачка в газовых лазерах: Некоторые типы газовых лазеров, например, лазеры на парах щелочных металлов, используют оптическую накачку. Такие лазеры часто используются в приложениях, требующих когерентных источников света с особыми свойствами.
Источники оптической накачки
Разрядные лампы: Разрядные лампы, широко используемые в лазерах с ламповой накачкой, используются благодаря своей высокой мощности и широкому спектру излучения. Ю.А. Мандрыко и др. разработали модель мощности генерации импульсного дугового разряда в ксеноновых лампах с активной средой оптической накачки твердотельных лазеров. Эта модель помогает оптимизировать характеристики импульсных ламп накачки, критически важные 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.
Дополнительное чтение:что такое лазерный диод?
Лампы-вспышки: Лампы-вспышки — это мощные источники света широкого спектра, которые обычно используются для накачки твердотельных лазеров, таких как рубиновые или Nd:YAG-лазеры. Они создают высокоинтенсивный импульс света, возбуждающий лазерную среду.
Дуговые лампыДуговые лампы, подобные лампам-вспышкам, но предназначенные для непрерывной работы, обеспечивают стабильный источник интенсивного света. Они используются в приложениях, где требуется лазер непрерывного излучения (CW).
Светодиоды (светоизлучающие диоды): Хотя светодиоды не так распространены, как лазерные диоды, их можно использовать для оптической накачки в некоторых маломощных приложениях. Их преимущества обусловлены долгим сроком службы, низкой стоимостью и доступностью в различных диапазонах длин 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, делая её возобновляемым и экономичным источником, хотя он менее управляем и менее интенсивен по сравнению с искусственными источниками света.
Волоконно-связанные лазерные диоды: Это лазерные диоды, соединённые 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 критически важна.
Другие лазерыИногда один лазер используется для накачки другого. Например, Nd:YAG-лазер с удвоенной частотой может использоваться для накачки лазера на красителе. Этот метод часто применяется, когда для накачки требуются определённые длины волн, которые сложно 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 выбирают из-за их эффективности, компактности и способности излучать свет на определённых длинах волн.
Свет насоса:Диодный лазер излучает свет, поглощаемый 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 элементов (например, Nd или Yb), которые являются активными ионами лазера.
Поглощение энергии и возбуждение:Когда свет накачки от диодного лазера попадает в среду усиления, ионы редкоземельных элементов поглощают эту энергию и переходят в состояния с более высокой энергией.
Инверсия населения
Достижение инверсии населенности:Ключевым фактором лазерного эффекта является достижение инверсии населённости в активной среде. Это означает, что в возбуждённом состоянии находится больше ионов, чем в основном.
Вынужденное излучение:После достижения инверсной населенности введение фотона, соответствующего разнице энергий между возбужденным и основным состояниями, может стимулировать возвращение возбужденных ионов в основное состояние с испусканием при этом фотона.
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 отражающей способностью, а другое — частичной. Фотоны отражаются друг от друга, стимулируя излучение и усиливая свет.
Лазерное излучение
Когерентный свет: излучаемые фотоны когерентны, то есть они находятся в одной 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 | Проблемы |
|---|---|---|---|---|
| Боковая накачка | 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 перекачки | 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 населенностей | - |
| Интенсивность | Должен быть достаточно высоким для желаемого уровня возбуждения | Слишком высокая интенсивность может вызвать тепловое повреждение; слишком низкая не позволит достичь инверсии населенности. | - |
| Качество луча | Особенно критично для лазеров с торцевой накачкой | Обеспечивает эффективное соединение и способствует качеству испускаемого 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 излучения лазера. | Важно для приложений, требующих высокой стабильности и точности. |
Время публикации: 01.12.2023