Abonneer u op onze sociale media voor snelle berichten
Laserpompen is in essentie het proces waarbij een medium wordt geënergetiseerd om een toestand te bereiken waarin het laserlicht kan uitzenden. Dit gebeurt meestal door licht of elektrische stroom in het medium te injecteren, waardoor de atomen worden geëxciteerd en coherent licht wordt uitgezonden. Dit fundamentele proces heeft zich aanzienlijk ontwikkeld sinds de komst van de eerste lasers halverwege de 20e eeuw.
Hoewel laserpompen vaak wordt gemodelleerd met behulp van snelheidsvergelijkingen, is het in wezen een kwantummechanisch proces. Het omvat complexe interacties tussen fotonen en de atomaire of moleculaire structuur van het versterkingsmedium. Geavanceerde modellen houden rekening met verschijnselen zoals Rabi-oscillaties, die een genuanceerder inzicht in deze interacties bieden.
Laserpompen is een proces waarbij energie, meestal in de vorm van licht of elektrische stroom, wordt toegevoerd aan het versterkingsmedium van een laser om de atomen of moleculen naar hogere energieniveaus te brengen. Deze energieoverdracht is cruciaal voor het bereiken van populatie-inversie, een toestand waarin meer deeltjes worden geëxciteerd dan in een lagere energietoestand, waardoor het medium licht kan versterken via gestimuleerde emissie. Het proces omvat complexe kwantuminteracties, vaak gemodelleerd met behulp van snelheidsvergelijkingen of meer geavanceerde kwantummechanische raamwerken. Belangrijke aspecten zijn onder andere de keuze van de pompbron (zoals laserdiodes of ontladingslampen), de pompgeometrie (zij- of eindpompen) en de optimalisatie van de lichtkarakteristieken van de pomp (spectrum, intensiteit, bundelkwaliteit, polarisatie) om te voldoen aan de specifieke eisen van het versterkingsmedium. Laserpompen is fundamenteel in verschillende lasertypen, waaronder vastestoflasers, halfgeleiderlasers en gaslasers, en is essentieel voor de efficiënte en effectieve werking van de laser.
Soorten optisch gepompte lasers
1. Vaste-stoflasers met gedoteerde isolatoren
· Overzicht:Deze lasers gebruiken een elektrisch isolerend medium en maken gebruik van optische pomptechnologie om laseractieve ionen van energie te voorzien. Een bekend voorbeeld is neodymium in YAG-lasers.
·Recent onderzoek:Een studie van A. Antipov et al. bespreekt een solid-state nabij-infraroodlaser voor spin-exchange optische pomptechnologie. Dit onderzoek benadrukt de vooruitgang in solid-state lasertechnologie, met name in het nabij-infraroodspectrum, dat cruciaal is voor toepassingen zoals medische beeldvorming en telecommunicatie.
Verder lezen:Een solid-state nabij-IR laser voor spin-uitwisseling optische pompen
2. Halfgeleiderlasers
·Algemene informatie: Halfgeleiderlasers, die doorgaans elektrisch worden gepompt, kunnen ook profiteren van optisch pompen, met name in toepassingen die een hoge helderheid vereisen, zoals Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs).
·Recente ontwikkelingen: Het werk van U. Keller aan optische frequentiekammen van ultrasnelle vastestof- en halfgeleiderlasers biedt inzicht in de generatie van stabiele frequentiekammen van diodegepompte vastestof- en halfgeleiderlasers. Deze vooruitgang is belangrijk voor toepassingen in optische frequentiemetrologie.
Verder lezen:Optische frequentiekammen van ultrakorte vaste-stof- en halfgeleiderlasers
3. Gaslasers
·Optisch pompen in gaslasers: Bepaalde typen gaslasers, zoals alkalidamplasers, maken gebruik van optisch pompen. Deze lasers worden vaak gebruikt in toepassingen die coherente lichtbronnen met specifieke eigenschappen vereisen.
Bronnen voor optisch pompen
OntladingslampenOntladingslampen worden veel gebruikt in lampgepompte lasers vanwege hun hoge vermogen en brede spectrum. YA Mandryko et al. ontwikkelden een vermogensmodel voor het genereren van impulsboogontlading in optische pompende xenonlampen met actieve media van vastestoflasers. Dit model helpt de prestaties van impulspomplampen te optimaliseren, cruciaal voor een efficiënte werking van de laser.
Laserdiodes:Laserdiodes worden gebruikt in diodegepompte lasers en bieden voordelen zoals een hoge efficiëntie, een compact formaat en de mogelijkheid om ze nauwkeurig af te stellen.
Verder lezen:Wat is een laserdiode?
FlitslampenFlitslampen zijn intense, breedspectrum lichtbronnen die vaak worden gebruikt voor het pompen van vastestoflasers, zoals robijn- of Nd:YAG-lasers. Ze produceren een zeer intense lichtflits die het lasermedium exciteert.
Booglampen: Booglampen lijken op flitslampen, maar zijn ontworpen voor continu gebruik. Ze bieden een constante bron van intens licht. Ze worden gebruikt in toepassingen waar continugolflasers (CW) nodig zijn.
LED's (Light Emitting Diodes)Hoewel ze minder gebruikelijk zijn dan laserdiodes, kunnen leds worden gebruikt voor optische pomptechnologie in bepaalde toepassingen met een laag vermogen. Ze zijn voordelig vanwege hun lange levensduur, lage kosten en beschikbaarheid in verschillende golflengtes.
ZonlichtIn sommige experimentele opstellingen is geconcentreerd zonlicht gebruikt als pompbron voor lasers die door de zon worden aangedreven. Deze methode maakt gebruik van zonne-energie, waardoor het een hernieuwbare en kosteneffectieve bron is, hoewel deze minder controleerbaar en minder intens is dan kunstmatige lichtbronnen.
Vezelgekoppelde laserdiodes: Dit zijn laserdiodes gekoppeld aan optische vezels, die het pomplicht efficiënter aan het lasermedium afgeven. Deze methode is vooral nuttig bij fiberlasers en in situaties waar nauwkeurige afgifte van pomplicht cruciaal is.
Andere lasersSoms wordt één laser gebruikt om een andere te pompen. Zo kan een frequentieverdubbelde Nd:YAG-laser worden gebruikt om een kleurstoflaser te pompen. Deze methode wordt vaak gebruikt wanneer specifieke golflengten nodig zijn voor het pompproces, wat niet gemakkelijk te bereiken is met conventionele lichtbronnen.
Diode-gepompte vaste-toestandlaser
Initiële energiebronHet proces begint met een diodelaser, die als pompbron fungeert. Diodelasers worden gekozen vanwege hun efficiëntie, compacte formaat en het vermogen om licht op specifieke golflengtes uit te zenden.
Pomplampje:De diodelaser zendt licht uit dat wordt geabsorbeerd door het vaste-stofversterkingsmedium. De golflengte van de diodelaser is afgestemd op de absorptie-eigenschappen van het versterkingsmedium.
Vaste toestandWinst Medium
Materiaal:Het versterkingsmedium in DPSS-lasers is doorgaans een vast materiaal, zoals Nd:YAG (neodymium-gedoteerd yttrium-aluminium-granaat), Nd:YVO4 (neodymium-gedoteerd yttrium-orthovanadaat) of Yb:YAG (ytterbium-gedoteerd yttrium-aluminium-granaat).
Doping:Deze materialen zijn gedoteerd met zeldzame aardionen (zoals Nd of Yb). Dit zijn de actieve laserionen.
Energieabsorptie en excitatie:Wanneer het pomplicht van de diodelaser het versterkingsmedium binnenkomt, absorberen de zeldzame-aarde-ionen deze energie en worden ze geëxciteerd naar hogere energieniveaus.
Bevolkingsinversie
Het bereiken van populatie-inversie:De sleutel tot laserwerking is het bereiken van een populatie-inversie in het versterkende medium. Dit betekent dat er meer ionen in een aangeslagen toestand zijn dan in de grondtoestand.
Gestimuleerde emissie:Zodra populatie-inversie is bereikt, kan de introductie van een foton dat overeenkomt met het energieverschil tussen de aangeslagen toestand en de grondtoestand, de aangeslagen ionen stimuleren om terug te keren naar de grondtoestand, waarbij in het proces een foton wordt uitgezonden.
Optische resonator
Spiegels: Het versterkende medium wordt in een optische resonator geplaatst, meestal bestaande uit twee spiegels aan elk uiteinde van het medium.
Feedback en versterking: Eén van de spiegels is sterk reflecterend en de andere gedeeltelijk reflecterend. Fotonen kaatsen heen en weer tussen deze spiegels, wat meer emissie stimuleert en het licht versterkt.
Laseremissie
Coherent licht: De uitgezonden fotonen zijn coherent, wat betekent dat ze in fase zijn en dezelfde golflengte hebben.
Uitvoer: De gedeeltelijk reflecterende spiegel laat een deel van dit licht door, waardoor de laserstraal ontstaat die de DPSS-laser verlaat.
Pompgeometrieën: zij- versus eindpompen
| Pompmethode | Beschrijving | Toepassingen | Voordelen | Uitdagingen |
|---|---|---|---|---|
| Zijpompen | Pomplicht loodrecht op het lasermedium ingebracht | Staaf- of vezellasers | Gelijkmatige verdeling van pomplicht, geschikt voor toepassingen met hoog vermogen | Niet-uniforme winstverdeling, lagere bundelkwaliteit |
| Einde pompen | Pomplicht gericht langs dezelfde as als de laserstraal | Vaste-stoflasers zoals Nd:YAG | Uniforme versterkingsverdeling, hogere straalkwaliteit | Complexe uitlijning, minder efficiënte warmteafvoer bij lasers met hoog vermogen |
Vereisten voor effectieve pompverlichting
| Vereiste | Belang | Impact/Balans | Aanvullende opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Spectrumgeschiktheid | De golflengte moet overeenkomen met het absorptiespectrum van het lasermedium | Zorgt voor efficiënte absorptie en effectieve populatie-inversie | - |
| Intensiteit | Moet hoog genoeg zijn voor het gewenste excitatieniveau | Te hoge intensiteiten kunnen thermische schade veroorzaken; te lage intensiteiten zullen geen populatie-inversie bewerkstelligen. | - |
| Balkkwaliteit | Bijzonder kritisch bij eindgepompte lasers | Zorgt voor een efficiënte koppeling en draagt bij aan de kwaliteit van de uitgezonden laserstraal | De kwaliteit van de hoge lichtbundel is cruciaal voor een nauwkeurige overlapping van het pomplicht en het lasermodusvolume |
| Polarisatie | Vereist voor media met anisotrope eigenschappen | Verbetert de absorptie-efficiëntie en kan de polarisatie van het uitgezonden laserlicht beïnvloeden | Specifieke polarisatiestatus kan nodig zijn |
| Intensiteitsgeluid | Een laag geluidsniveau is cruciaal | Schommelingen in de lichtintensiteit van de pomp kunnen de kwaliteit en stabiliteit van de laseruitvoer beïnvloeden | Belangrijk voor toepassingen die een hoge stabiliteit en precisie vereisen |
Plaatsingstijd: 1 december 2023