Volg ons op sociale media voor snelle updates.
In essentie is laserpompen het proces waarbij een medium van energie wordt voorzien om een toestand te bereiken waarin het laserlicht kan uitzenden. Dit gebeurt doorgaans door licht of elektrische stroom in het medium te injecteren, waardoor de atomen worden aangeslagen en coherent licht wordt uitgezonden. Dit fundamentele proces is aanzienlijk geëvolueerd sinds de komst van de eerste lasers halverwege de 20e eeuw.
Hoewel laserpomping 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 fenomenen zoals Rabi-oscillaties, die een genuanceerder inzicht geven in deze interacties.
Laserpompen is een proces waarbij energie, meestal in de vorm van licht of elektrische stroom, aan het versterkingsmedium van een laser wordt toegevoerd 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 geëxciteerd zijn dan in een lagere energietoestand, waardoor het medium licht kan versterken via gestimuleerde emissie. Het proces omvat complexe kwantuminteracties, die vaak worden gemodelleerd met behulp van snelheidsvergelijkingen of meer geavanceerde kwantummechanische modellen. Belangrijke aspecten zijn de keuze van de pompbron (zoals laserdiode of ontladingslampen), de pompgeometrie (zij- of eindpompen) en de optimalisatie van de pomplichtkarakteristieken (spectrum, intensiteit, bundelkwaliteit, polarisatie) om te voldoen aan de specifieke eisen van het versterkingsmedium. Laserpompen is fundamenteel voor verschillende lasertypen, waaronder solid-state-, halfgeleider- en gaslasers, en is essentieel voor de efficiënte en effectieve werking van de laser.
Soorten optisch gepompte lasers
1. Vastestoflasers met gedoteerde isolatoren
· Overzicht:Deze lasers maken gebruik van een elektrisch isolerend gastmedium en vertrouwen op optische pomping om laseractieve ionen te activeren. Een bekend voorbeeld is neodymium in YAG-lasers.
·Recent onderzoek:Een studie van A. Antipov et al. bespreekt een vastestoflaser voor nabij-infrarood licht, geschikt voor optische pomping met spinuitwisseling. Dit onderzoek benadrukt de vooruitgang in de technologie van vastestoflasers, met name in het nabij-infraroodspectrum, dat cruciaal is voor toepassingen zoals medische beeldvorming en telecommunicatie.
Verder lezen:Een vastestof-nabij-infraroodlaser voor optische spin-uitwisselingspomping
2. Halfgeleiderlasers
·Algemene informatie: Halfgeleiderlasers worden doorgaans elektrisch aangedreven, maar kunnen ook baat hebben bij optische pomping, 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 het genereren van stabiele frequentiekammen met diodepompende vastestof- en halfgeleiderlasers. Deze vooruitgang is van groot belang voor toepassingen in optische frequentiemetrologie.
Verder lezen:Optische frequentiekammen van ultrasnelle vastestof- en halfgeleiderlasers
3. Gaslasers
·Optische pomping in gaslasers: bepaalde typen gaslasers, zoals alkalidamplasers, maken gebruik van optische pomping. Deze lasers worden vaak gebruikt in toepassingen die coherente lichtbronnen met specifieke eigenschappen vereisen.
Bronnen voor optische pomping
OntladingslampenIn lasers met lamppomping worden vaak ontladingslampen gebruikt vanwege hun hoge vermogen en brede spectrum. YA Mandryko et al. ontwikkelden een vermogensmodel voor de generatie van impulsboogontladingen in optische xenonlampen met actieve media in solid-state lasers. Dit model helpt bij het optimaliseren van de prestaties van impulspomplampen, wat cruciaal is voor een efficiënte laserwerking.
Laserdiodes:Laserdiodes worden gebruikt in diodepomplasers en bieden voordelen zoals een hoog rendement, een compact formaat en de mogelijkheid tot nauwkeurige afstelling.
Verder lezen:Wat is een laserdiode?
ZaklampenFlitslampen zijn intense lichtbronnen met een breed spectrum die vaak worden gebruikt voor het aandrijven van solid-state lasers, zoals robijn- of Nd:YAG-lasers. Ze leveren een krachtige lichtflits die het lasermedium exciteert.
BooglampenBooglampen lijken op flitslampen, maar zijn ontworpen voor continu gebruik. Ze bieden een constante bron van intens licht en worden gebruikt in toepassingen waar continue laserwerking (CW) vereist is.
LED's (lichtgevende diodes)Hoewel LED's minder gangbaar zijn dan laser diodes, kunnen ze in bepaalde toepassingen met laag vermogen gebruikt worden voor optische pomping. Ze zijn voordelig vanwege hun lange levensduur, lage kosten en beschikbaarheid in verschillende golflengten.
ZonlichtIn sommige experimentele opstellingen is geconcentreerd zonlicht gebruikt als pompbron voor lasers die door de zon worden aangedreven. Deze methode benut zonne-energie, waardoor het een hernieuwbare en kosteneffectieve bron is, hoewel de controle en intensiteit minder goed te beheersen zijn dan bij kunstmatige lichtbronnen.
Vezelgekoppelde laserdiodesDit zijn laserdiode's gekoppeld aan optische vezels, die het pomplicht efficiënter naar het lasermedium transporteren. Deze methode is met name nuttig bij vezellasers en in situaties waar een nauwkeurige toevoer van pomplicht cruciaal is.
Andere lasersSoms wordt de ene laser gebruikt om de andere aan te drijven. Zo kan bijvoorbeeld een frequentieverdubbelde Nd:YAG-laser worden gebruikt om een kleurstoflaser aan te drijven. Deze methode wordt vaak gebruikt wanneer specifieke golflengten nodig zijn voor het aandrijfproces die niet gemakkelijk te bereiken zijn met conventionele lichtbronnen.
Diode-gepompte vastestoflaser
Initiële energiebronHet proces begint met een diodelaser, die als pompbron dient. Diodelasers worden gekozen vanwege hun efficiëntie, compacte formaat en het vermogen om licht uit te zenden met specifieke golflengten.
Pomplampje:De diodelaser zendt licht uit dat wordt geabsorbeerd door het vastestof-versterkingsmedium. De golflengte van de diodelaser wordt afgestemd op de absorptiekarakteristieken van het versterkingsmedium.
Vaste stofGain Medium
Materiaal:Het versterkingsmedium in DPSS-lasers is doorgaans een vaststofmateriaal zoals Nd:YAG (neodymium-gedoteerd yttriumaluminiumgranaat), Nd:YVO4 (neodymium-gedoteerd yttriumorthovanadaat) of Yb:YAG (ytterbium-gedoteerd yttriumaluminiumgranaat).
Doping:Deze materialen zijn gedoteerd met zeldzame-aardionen (zoals Nd of Yb), dit zijn de actieve laserionen.
Energieabsorptie en -opwekking:Wanneer het pomplicht van de diodelaser het versterkingsmedium binnendringt, absorberen de zeldzame-aardionen deze energie en worden ze aangeslagen naar hogere energietoestanden.
Bevolkingsomkering
Het bereiken van bevolkingsinversie:De sleutel tot laserwerking ligt in het bereiken van een populatie-inversie in het versterkingsmedium. Dit betekent dat er meer ionen in een aangeslagen toestand verkeren 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 en de grondtoestand de aangeslagen ionen stimuleren om terug te keren naar de grondtoestand, waarbij een foton wordt uitgezonden.
Optische resonator
Spiegels: Het versterkingsmedium wordt in een optische resonator geplaatst, die doorgaans bestaat uit twee spiegels aan elk uiteinde van het medium.
Terugkoppeling en versterking: Een van de spiegels is sterk reflecterend en de andere is gedeeltelijk reflecterend. Fotonen kaatsen heen en weer tussen deze spiegels, waardoor er meer emissies worden gestimuleerd en het licht wordt 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 uit de DPSS-laser komt.
Pompgeometrieën: zijwaartse versus eindpompen
| Pompmethode | Beschrijving | Toepassingen | Voordelen | Uitdagingen |
|---|---|---|---|---|
| Zijwaarts pompen | Pomplicht wordt loodrecht op het lasermedium ingevoerd. | Staaf- of vezellasers | Gelijkmatige verdeling van het pomplicht, geschikt voor toepassingen met hoog vermogen. | Niet-uniforme versterkingsverdeling, lagere bundelkwaliteit |
| Einde pompen | Pomplicht gericht langs dezelfde as als de laserstraal | Vastestoflasers zoals Nd:YAG | Gelijkmatige versterkingsverdeling, hogere straalkwaliteit | Complexe uitlijning, minder efficiënte warmteafvoer bij krachtige lasers |
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 bevolkingsomkering. | - |
| Intensiteit | Moet hoog genoeg zijn voor het gewenste excitatieniveau. | Te hoge intensiteiten kunnen thermische schade veroorzaken; te lage intensiteiten leiden niet tot populatie-inversie. | - |
| Straalkwaliteit | Bijzonder belangrijk bij lasers met eindpomping. | Zorgt voor een efficiënte koppeling en draagt bij aan de kwaliteit van de uitgezonden laserstraal. | Een hoge straalkwaliteit 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. | Een specifieke polarisatietoestand kan noodzakelijk zijn. |
| Intensiteit Geluid | Lage geluidsniveaus zijn cruciaal. | Schommelingen in de intensiteit van het pomplicht kunnen de kwaliteit en stabiliteit van de laseroutput beïnvloeden. | Belangrijk voor toepassingen die hoge stabiliteit en precisie vereisen. |
Geplaatst op: 1 december 2023