Lāzera sūknēšana pēc būtības ir barotnes barošanas process, lai sasniegtu stāvokli, kurā tā var izstarot lāzera gaismu. To parasti veic, ievadot vidē gaismu vai elektrisko strāvu, aizraujot tās atomus un izraisot koherentas gaismas emisiju. Šis pamatprocess ir ievērojami attīstījies kopš pirmo lāzeru parādīšanās 20. gadsimta vidū.
Lai gan lāzera sūknēšana bieži tiek modelēta ar ātruma vienādojumiem, tā būtībā ir kvantu mehānisks process. Tas ietver sarežģītu mijiedarbību starp fotoniem un pastiprināšanas vides atomu vai molekulāro struktūru. Uzlabotie modeļi ņem vērā tādas parādības kā Rabi svārstības, kas sniedz niansētāku izpratni par šīm mijiedarbībām.
Lāzera sūknēšana ir process, kurā enerģija, parasti gaismas vai elektriskās strāvas veidā, tiek piegādāta lāzera pastiprināšanas barotnei, lai tā atomi vai molekulas paaugstinātu enerģijas līmeni. Šī enerģijas pārnešana ir ļoti svarīga, lai panāktu populācijas inversiju, stāvokli, kurā tiek ierosināts vairāk daļiņu nekā zemākas enerģijas stāvoklī, ļaujot barotnei pastiprināt gaismu, izmantojot stimulētu emisiju. Process ietver sarežģītas kvantu mijiedarbības, ko bieži modelē ar ātruma vienādojumu vai progresīvāku kvantu mehānisko sistēmu palīdzību. Galvenie aspekti ietver sūkņa avota izvēli (piemēram, lāzera diodes vai gāzizlādes lampas), sūkņa ģeometriju (sūknēšana sānos vai galā) un sūkņa gaismas raksturlielumu (spektra, intensitātes, staru kūļa kvalitātes, polarizācijas) optimizāciju, lai tā atbilstu īpašajām prasībām. iegūt vidēju. Lāzera sūknēšana ir būtiska dažādu veidu lāzeriem, tostarp cietvielu, pusvadītāju un gāzes lāzeriem, un tā ir būtiska lāzera efektīvai un efektīvai darbībai.
Optiski sūknējamo lāzeru šķirnes
1. Cietvielu lāzeri ar leģētiem izolatoriem
· Pārskats:Šie lāzeri izmanto elektriski izolējošu barotni un paļaujas uz optisko sūknēšanu, lai aktivizētu lāzeraktīvos jonus. Izplatīts piemērs ir neodīms YAG lāzeros.
·Jaunākie pētījumi:A. Antipova u.c. pētījums. apspriež cietvielu gandrīz IR lāzeru spin-apmaiņas optiskajai sūknēšanai. Šis pētījums izceļ sasniegumus cietvielu lāzeru tehnoloģijā, jo īpaši tuvu infrasarkanajā spektrā, kas ir ļoti svarīgi tādām lietojumprogrammām kā medicīniskā attēlveidošana un telekomunikācijas.
Papildu lasīšana:Cietvielu tuvu infrasarkano staru lāzers griešanās apmaiņas optiskajai sūknēšanai
2. Pusvadītāju lāzeri
·Vispārīga informācija: parasti elektriski sūknējamie pusvadītāju lāzeri var arī gūt labumu no optiskās sūknēšanas, jo īpaši lietojumos, kuros nepieciešams augsts spilgtums, piemēram, vertikālās ārējās dobuma virsmas izstarojošie lāzeri (VECSEL).
·Jaunākie sasniegumi: U. Kellera darbs pie optisko frekvenču ķemmēm no īpaši ātriem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem sniedz ieskatu stabilu frekvenču ķemmes ģenerēšanā no diodes sūknējamiem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem. Šis sasniegums ir nozīmīgs optiskās frekvences metroloģijas lietojumiem.
Papildu lasīšana:Optiskās frekvences ķemmes no īpaši ātriem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem
3. Gāzes lāzeri
·Optiskā sūknēšana gāzes lāzeros: dažu veidu gāzes lāzeros, piemēram, sārmu tvaiku lāzeros, tiek izmantota optiskā sūknēšana. Šos lāzerus bieži izmanto lietojumos, kuros nepieciešami saskaņoti gaismas avoti ar īpašām īpašībām.
Optiskās sūknēšanas avoti
Izlādes lampas: Izlādes spuldzes, kas ir izplatītas ar spuldzēm darbināmos lāzeros, tiek izmantotas to lielās jaudas un plašā spektra dēļ. YA Mandryko et al. izstrādāja jaudas modeli impulsa loka izlādes ģenerēšanai cietvielu lāzeru aktīvās vides optiskās sūknēšanas ksenona lampās. Šis modelis palīdz optimizēt impulsu sūknēšanas spuldžu darbību, kas ir būtiska efektīvai lāzera darbībai.
Lāzera diodes:Lāzerdiodes, ko izmanto ar diodes sūknējamiem lāzeriem, piedāvā tādas priekšrocības kā augsta efektivitāte, kompakts izmērs un iespēja precīzi noregulēt.
Papildu lasīšana:kas ir lāzerdiode?
Zibspuldzes Lampas: Zibspuldzes ir intensīvas, plaša spektra gaismas avoti, ko parasti izmanto cietvielu lāzeru, piemēram, rubīna vai Nd:YAG lāzeru, sūknēšanai. Tie nodrošina augstas intensitātes gaismas uzliesmojumu, kas ierosina lāzera vidi.
Loka lampas: Līdzīgi kā zibspuldzes, bet paredzētas nepārtrauktai darbībai, loka spuldzes nodrošina pastāvīgu intensīvas gaismas avotu. Tos izmanto lietojumos, kur nepieciešama nepārtraukta viļņa (CW) lāzera darbība.
Gaismas diodes (gaismas diodes): Lai gan gaismas diodes nav tik izplatītas kā lāzera diodes, tās var izmantot optiskai sūknēšanai noteiktos mazjaudas lietojumos. Tie ir izdevīgi to ilgā kalpošanas laika, zemo izmaksu un pieejamības dēļ dažādos viļņu garumos.
Saules gaisma: Dažos eksperimentālos iestatījumos koncentrēta saules gaisma ir izmantota kā sūkņa avots ar saules enerģiju darbināmiem lāzeriem. Šī metode izmanto saules enerģiju, padarot to par atjaunojamu un rentablu avotu, lai gan tā ir mazāk vadāma un mazāk intensīva salīdzinājumā ar mākslīgajiem gaismas avotiem.
Ar šķiedru savienotās lāzerdiodes: tās ir lāzera diodes, kas savienotas ar optiskajām šķiedrām, kas efektīvāk piegādā sūkņa gaismu lāzera vidē. Šī metode ir īpaši noderīga šķiedru lāzeros un situācijās, kad ir ļoti svarīga precīza sūkņa gaismas piegāde.
Citi lāzeri: Dažreiz vienu lāzeru izmanto, lai sūknētu citu. Piemēram, krāsvielu lāzera sūknēšanai var izmantot Nd: YAG lāzeru ar dubulto frekvenci. Šo metodi bieži izmanto, ja sūknēšanas procesam ir nepieciešami īpaši viļņu garumi, ko nav viegli sasniegt ar parastajiem gaismas avotiem.
Diodes sūknēts cietvielu lāzers
Sākotnējais enerģijas avots: process sākas ar diodes lāzeru, kas kalpo kā sūkņa avots. Diodes lāzeri ir izvēlēti, ņemot vērā to efektivitāti, kompakto izmēru un spēju izstarot gaismu noteiktos viļņu garumos.
Sūkņa gaisma:Diodes lāzers izstaro gaismu, ko absorbē cietvielu pastiprināšanas vide. Diodes lāzera viļņa garums ir pielāgots pastiprinājuma vides absorbcijas īpašībām.
CietvieluIegūt vidēju
Materiāls:Pastiprinājuma vide DPSS lāzeros parasti ir cietvielu materiāls, piemēram, Nd:YAG (ar neodīmu leģēts itrija alumīnija granāts), Nd:YVO4 (ar neodīmu leģēts itrija ortovanadāts) vai Yb:YAG (ar itrija alumīnija granāts).
Dopings:Šie materiāli ir leģēti ar retzemju joniem (piemēram, Nd vai Yb), kas ir aktīvie lāzera joni.
Enerģijas absorbcija un ierosme:Kad sūkņa gaisma no diodes lāzera nonāk pastiprināšanas vidē, retzemju joni absorbē šo enerģiju un aizraujas uz augstākas enerģijas stāvokļiem.
Iedzīvotāju inversija
Iedzīvotāju skaita inversijas sasniegšana:Lāzera darbības atslēga ir populācijas inversijas panākšana pastiprināšanas vidē. Tas nozīmē, ka vairāk jonu atrodas ierosinātā stāvoklī nekā pamata stāvoklī.
Stimulētā emisija:Kad ir sasniegta populācijas inversija, fotona ievadīšana, kas atbilst enerģijas starpībai starp ierosinātajiem un pamata stāvokļiem, var stimulēt ierosinātos jonus atgriezties pamatstāvoklī, izstarojot fotonu.
Optiskais rezonators
Spoguļi: pastiprinājuma vide tiek ievietota optiskā rezonatorā, ko parasti veido divi spoguļi katrā vides galā.
Atsauksmes un pastiprināšana: viens no spoguļiem ir ļoti atstarojošs, bet otrs ir daļēji atstarojošs. Fotoni atlec uz priekšu un atpakaļ starp šiem spoguļiem, stimulējot vairāk emisiju un pastiprinot gaismu.
Lāzera emisija
Koherenta gaisma: izstarotie fotoni ir koherenti, kas nozīmē, ka tie atrodas fāzē un tiem ir vienāds viļņa garums.
Izvade: daļēji atstarojošais spogulis ļauj daļai šīs gaismas iziet cauri, veidojot lāzera staru, kas iziet no DPSS lāzera.
Sūknēšanas ģeometrijas: sānu un gala sūknēšana
Sūknēšanas metode | Apraksts | Lietojumprogrammas | Priekšrocības | Izaicinājumi |
---|---|---|---|---|
Sānu sūknēšana | Sūkņa gaisma tiek ievadīta perpendikulāri lāzera barotnei | Stieņu vai šķiedru lāzeri | Vienmērīgs sūkņa gaismas sadalījums, piemērots lielas jaudas lietojumiem | Nevienmērīgs pastiprinājuma sadalījums, zemāka staru kūļa kvalitāte |
Sūknēšanas beigas | Sūkņa gaisma ir vērsta pa to pašu asi kā lāzera stars | Cietvielu lāzeri, piemēram, Nd:YAG | Vienmērīgs pastiprinājuma sadalījums, augstāka staru kūļa kvalitāte | Sarežģīta izlīdzināšana, mazāk efektīva siltuma izkliede lieljaudas lāzeros |
Prasības efektīvai sūkņa apgaismojumam
Prasība | Svarīgums | Ietekme/līdzsvars | Papildu piezīmes |
---|---|---|---|
Spektra piemērotība | Viļņa garumam jāatbilst lāzera vides absorbcijas spektram | Nodrošina efektīvu absorbciju un efektīvu populācijas inversiju | - |
Intensitāte | Tam jābūt pietiekami augstam vēlamajam ierosmes līmenim | Pārāk augsta intensitāte var izraisīt termiskus bojājumus; pārāk zems nesasniegs iedzīvotāju inversiju | - |
Siju kvalitāte | Īpaši kritisks gala sūknēšanas lāzeros | Nodrošina efektīvu savienojumu un veicina izstarotā lāzera stara kvalitāti | Augstas gaismas kvalitātei ir izšķiroša nozīme precīzai sūkņa gaismas un lāzera režīma skaļuma pārklāšanai |
Polarizācija | Nepieciešams barotnēm ar anizotropām īpašībām | Uzlabo absorbcijas efektivitāti un var ietekmēt izstarotās lāzera gaismas polarizāciju | Var būt nepieciešams īpašs polarizācijas stāvoklis |
Intensitātes troksnis | Zems trokšņa līmenis ir ļoti svarīgs | Sūkņa gaismas intensitātes svārstības var ietekmēt lāzera izvades kvalitāti un stabilitāti | Svarīgi lietojumiem, kuriem nepieciešama augsta stabilitāte un precizitāte |
Izlikšanas laiks: Dec-01-2023