Abonneer u op onze sociale media voor snelle berichten
In wezen is laserpompen het proces waarbij een medium van energie wordt voorzien om een toestand te bereiken waarin het laserlicht kan uitzenden. Dit wordt doorgaans gedaan door licht of elektrische stroom in het medium te injecteren, waardoor de atomen ervan worden opgewonden en er coherent licht wordt uitgezonden. Dit fundamentele proces is aanzienlijk geëvolueerd sinds de komst van de eerste lasers halverwege de 20e eeuw.
Hoewel laserpompen vaak wordt gemodelleerd door snelheidsvergelijkingen, is het in wezen een kwantummechanisch proces. Het gaat om ingewikkelde interacties tussen fotonen en de atomaire of moleculaire structuur van het versterkingsmedium. Geavanceerde modellen houden rekening met verschijnselen als 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 ervan naar hogere energietoestanden te brengen. Deze energieoverdracht is cruciaal voor het bereiken van populatie-inversie, een toestand waarin meer deeltjes worden opgewonden dan in een toestand met lagere energie, waardoor het medium licht kan versterken via gestimuleerde emissie. Het proces omvat ingewikkelde kwantuminteracties, vaak gemodelleerd via snelheidsvergelijkingen of geavanceerdere kwantummechanische raamwerken. Belangrijke aspecten zijn onder meer de keuze van de pompbron (zoals laserdiodes of ontladingslampen), de pompgeometrie (zij- of eindpompen) en de optimalisatie van de pomplichtkarakteristieken (spectrum, intensiteit, straalkwaliteit, polarisatie) om te voldoen aan de specifieke vereisten van de pomp. gemiddelde winst. Laserpompen is van fundamenteel belang bij verschillende lasertypen, waaronder vastestof-, halfgeleider- en gaslasers, en is essentieel voor de efficiënte en effectieve werking van de laser.
Soorten optisch gepompte lasers
1. Solid-state lasers met gedoteerde isolatoren
· Overzicht:Deze lasers gebruiken een elektrisch isolerend gastheermedium en vertrouwen op optisch pompen om laseractieve ionen te activeren. Een bekend voorbeeld is neodymium in YAG-lasers.
·Recent onderzoek:Een studie van A. Antipov et al. bespreekt een solid-state nabij-IR-laser voor optisch pompen met spin-uitwisseling. Dit onderzoek benadrukt de vooruitgang in de solid-state lasertechnologie, vooral in het nabij-infraroodspectrum, wat cruciaal is voor toepassingen zoals medische beeldvorming en telecommunicatie.
Verder lezen:Een solid-state Near-IR-laser voor optisch pompen met spin-uitwisseling
2. Halfgeleiderlasers
·Algemene informatie: Normaal gesproken elektrisch gepompte halfgeleiderlasers kunnen ook profiteren van optisch pompen, vooral in toepassingen die een hoge helderheid vereisen, zoals Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSEL's).
·Recente ontwikkelingen: U. Keller's werk aan optische frequentiekammen van ultrasnelle vaste-stof- en halfgeleiderlasers biedt inzicht in het genereren van stabiele frequentiekammen van door diodes gepompte vaste-stof- en halfgeleiderlasers. Deze vooruitgang is aanzienlijk voor toepassingen in optische frequentiemetrologie.
Verder lezen:Optische frequentiekammen van ultrasnelle solid-state 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
Ontladingslampen: Vaak bij lampgepompte lasers worden ontladingslampen gebruikt vanwege hun hoge vermogen en brede spectrum. YA Mandryko et al. ontwikkelde een vermogensmodel voor het genereren van impulsboogontladingen in actieve media, optisch pompende xenonlampen van vastestoflasers. Dit model helpt bij het optimaliseren van de prestaties van impulspomplampen, cruciaal voor een efficiënte laserwerking.
Laserdiodes:Laserdiodes worden gebruikt in diodegepompte lasers en bieden voordelen zoals een hoog rendement, een compact formaat en de mogelijkheid om nauwkeurig te worden afgestemd.
Verder lezen:wat is een laserdiode?
Flitslampen: Flitslampen zijn intense, breedspectrumlichtbronnen die vaak worden gebruikt voor het pompen van vaste-stoflasers, zoals robijn- of Nd:YAG-lasers. Ze zorgen voor een krachtige lichtuitbarsting die het lasermedium prikkelt.
Booglampen: Net als flitslampen, maar ontworpen voor continu gebruik, bieden booglampen een constante bron van intens licht. Ze worden gebruikt in toepassingen waar laserwerking met continue golf (CW) vereist is.
LED's (lichtgevende diodes): Hoewel ze niet zo gebruikelijk zijn als laserdiodes, kunnen LED's worden gebruikt voor optisch pompen in bepaalde toepassingen met laag vermogen. Ze zijn voordelig vanwege hun lange levensduur, lage kosten en beschikbaarheid in verschillende golflengten.
Zonlicht: In sommige experimentele opstellingen is geconcentreerd zonlicht gebruikt als pompbron voor door zonne-energie aangedreven lasers. Deze methode maakt gebruik van zonne-energie, waardoor het een hernieuwbare en kosteneffectieve bron wordt, hoewel deze minder controleerbaar en minder intens is in vergelijking met kunstmatige lichtbronnen.
Vezelgekoppelde laserdiodes: Dit zijn laserdiodes gekoppeld aan optische vezels, die het pomplicht efficiënter aan het lasermedium leveren. Deze methode is vooral nuttig bij fiberlasers en in situaties waarin nauwkeurige levering van pomplicht cruciaal is.
Andere lasers: Soms wordt de ene laser gebruikt om de andere te pompen. Een Nd:YAG-laser met dubbele frequentie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een kleurstoflaser te pompen. Deze methode wordt vaak gebruikt wanneer specifieke golflengten nodig zijn voor het pompproces, wat niet eenvoudig te realiseren is met conventionele lichtbronnen.
Diodegepompte vastestoflaser
Initiële energiebron: Het proces begint met een diodelaser, die als pompbron dient. Diodelasers worden gekozen vanwege hun efficiëntie, compacte formaat en vermogen om licht uit te zenden op specifieke golflengten.
Pomplicht:De diodelaser zendt licht uit dat wordt geabsorbeerd door het versterkingsmedium in vaste toestand. De golflengte van de diodelaser is afgestemd op de absorptiekarakteristieken van het versterkingsmedium.
Solide toestandVerkrijg gemiddeld
Materiaal:Het versterkingsmedium in DPSS-lasers is doorgaans een vastestofmateriaal zoals Nd:YAG (neodymium-gedoteerd Yttrium Aluminium Garnet), Nd:YVO4 (Neodymium-gedoteerd Yttrium Orthovanadaat) of Yb:YAG (Ytterbium-gedoteerd Yttrium Aluminium Garnet).
Doping:Deze materialen zijn gedoteerd met zeldzame aardionen (zoals Nd of Yb), de actieve laserionen.
Energieabsorptie en excitatie:Wanneer het pomplicht van de diodelaser het versterkingsmedium binnentreedt, absorberen de zeldzame-aarde-ionen deze energie en raken opgewonden naar hogere energietoestanden.
Bevolkingsinversie
Bevolkingsinversie bereiken:De sleutel tot laseractie is het bereiken van een populatie-inversie in het versterkingsmedium. 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 ionen en de grondtoestand de aangeslagen ionen stimuleren om terug te keren naar de grondtoestand, waarbij daarbij een foton wordt uitgezonden.
Optische resonator
Spiegels: Het versterkingsmedium wordt in een optische resonator geplaatst, meestal gevormd door twee spiegels aan elk uiteinde van het medium.
Feedback en versterking: Een van de spiegels is sterk reflecterend en de andere is gedeeltelijk reflecterend. Fotonen stuiteren heen en weer tussen deze spiegels, waardoor meer emissies worden gestimuleerd en het licht wordt versterkt.
Laser-emissie
Coherent licht: De uitgezonden fotonen zijn coherent, wat betekent dat ze in fase zijn en dezelfde golflengte hebben.
Uitgang: De gedeeltelijk reflecterende spiegel laat een deel van dit licht door en vormt de laserstraal die de DPSS-laser verlaat.
Pompgeometrieën: pompen aan de zijkant versus aan het einde
| Pompmethode | Beschrijving | Toepassingen | Voordelen | Uitdagingen |
|---|---|---|---|---|
| Zijwaarts pompen | Pomplicht loodrecht op het lasermedium geïntroduceerd | Staaf- of fiberlasers | Uniforme distributie van pomplicht, geschikt voor toepassingen met hoog vermogen | Niet-uniforme versterkingsverdeling, lagere straalkwaliteit |
| Einde pompen | Pomplicht dat langs dezelfde as is gericht als de laserstraal | Vastestoflasers zoals Nd:YAG | Uniforme versterkingsverdeling, hogere straalkwaliteit | Complexe uitlijning, minder efficiënte warmteafvoer bij krachtige lasers |
Vereisten voor effectief pomplicht
| 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 laag zal geen populatie-inversie bewerkstelligen | - |
| Straalkwaliteit | Bijzonder kritisch bij eindgepompte lasers | Zorgt voor een efficiënte koppeling en draagt bij aan de kwaliteit van de uitgezonden laserstralen | Hoge straalkwaliteit is van cruciaal belang voor een nauwkeurige overlapping van pomplicht en lasermodusvolume |
| Polarisatie | Vereist voor media met anisotrope eigenschappen | Verbetert de absorptie-efficiëntie en kan de polarisatie van uitgezonden laserlicht beïnvloeden | Een specifieke polarisatietoestand kan noodzakelijk zijn |
| Intensiteitsruis | 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 |
Posttijd: 01-dec-2023