Kas ir optiskā sūknēšana lāzerā?

Abonējiet mūsu sociālos tīklus, lai saņemtu tūlītējus ierakstus

Pēc būtības lāzera sūknēšana ir vides aktivizēšanas process, lai sasniegtu stāvokli, kurā tā var izstarot lāzera gaismu. To parasti dara, injicējot gaismu vai elektrisko strāvu vidē, ierosinot tās atomus un izraisot koherentas gaismas izstarošanu. 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. Tā ietver sarežģītas mijiedarbības starp fotoniem un pastiprinājuma vides atomu vai molekulu struktūru. Uzlaboti 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 videi, lai paceltu tās atomus vai molekulas augstākā enerģijas stāvoklī. Šī enerģijas pārnešana ir ļoti svarīga, lai panāktu populācijas inversiju — stāvokli, kurā tiek ierosinātas vairāk daļiņu nekā zemākas enerģijas stāvoklī, ļaujot videi pastiprināt gaismu, izmantojot stimulētu emisiju. Process ietver sarežģītas kvantu mijiedarbības, kuras bieži modelē, izmantojot ātruma vienādojumus vai sarežģītākus kvantu mehānikas ietvarus. Galvenie aspekti ietver sūknēšanas avota izvēli (piemēram, lāzerdiodes vai izlādes lampas), sūknēšanas ģeometriju (sānu vai gala sūknēšana) un sūknēšanas gaismas raksturlielumu (spektrs, intensitāte, stara kvalitāte, polarizācija) optimizāciju, lai tie atbilstu pastiprināšanas vides īpašajām prasībām. Lāzera sūknēšana ir būtiska dažādu veidu lāzeros, tostarp cietvielu, pusvadītāju un gāzes lāzeros, un ir būtiska lāzera efektīvai un lietderīgai darbībai.

Optiski sūknējamo lāzeru veidi

 

1. Cietvielu lāzeri ar leģētiem izolatoriem

· Pārskats:Šie lāzeri izmanto elektriski izolējošu pamatvidi un lāzeraktīvo jonu aktivizēšanai izmanto optisko sūknēšanu. Izplatīts piemērs ir neodīms YAG lāzeros.

·Jaunākie pētījumi:A. Antipova un līdzautoru pētījumā tiek aplūkots cietvielu tuvā infrasarkanā lāzers spina apmaiņas optiskajai sūknēšanai. Šis pētījums izceļ sasniegumus cietvielu lāzeru tehnoloģijā, jo īpaši tuvā infrasarkanā spektra jomā, kas ir ļoti svarīgi tādām lietojumprogrammām kā medicīniskā attēlveidošana un telekomunikācijas.

Papildu lasāmviela:Cietvielu gandrīz infrasarkanais lāzers spina apmaiņas optiskajai sūknēšanai

2. Pusvadītāju lāzeri

·Vispārīga informācija: Parasti elektriski sūknētiem pusvadītāju lāzeriem var būt noderīga arī optiskā sūknēšana, īpaši lietojumos, kuriem nepieciešams augsts spilgtums, piemēram, vertikālos ārējo dobumu virsmas emitējošos lāzeros (VECSEL).

·Jaunākie sasniegumi: U. Kellera darbs pie optiskajām frekvenču ķemmēm no īpaši ātriem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem sniedz ieskatu stabilu frekvenču ķemmes ģenerēšanā no diodes sūknētiem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem. Šis sasniegums ir nozīmīgs pielietojumiem optiskās frekvenču metroloģijā.

Papildu lasāmviela:Optiskās frekvences ķemmes no īpaši ātriem cietvielu un pusvadītāju lāzeriem

3. Gāzes lāzeri

·Optiskā sūknēšana gāzes lāzeros: Daži gāzes lāzeru veidi, piemēram, sārmu tvaiku lāzeri, izmanto optisko sūknēšanu. Šos lāzerus bieži izmanto lietojumos, kuros nepieciešami koherenti gaismas avoti ar specifiskām īpašībām.

 

 

Optiskās sūknēšanas avoti

Izlādes lampasIzlādes lampas, kas ir izplatītas ar lampām darbināmos lāzeros, tiek izmantotas to augstās jaudas un plašā spektra dēļ. YA Mandryko et al. izstrādāja impulsa loka izlādes ģenerēšanas jaudas modeli cietvielu lāzeru aktīvās vides optiskās sūknēšanas ksenona lampās. Šis modelis palīdz optimizēt impulsa sūknēšanas lampu veiktspēju, kas ir ļoti svarīgi lāzera efektīvai darbībai.

Lāzerdiodes:Izmantojot diodu sūknētos lāzeros, lāzerdiodes piedāvā tādas priekšrocības kā augsta efektivitāte, kompakts izmērs un spēja precīzi noregulēt.

Papildu lasāmviela:Kas ir lāzera diode?

ZibspuldzesZibspuldzes ir intensīvi, plaša spektra gaismas avoti, ko parasti izmanto cietvielu lāzeru, piemēram, rubīna vai Nd:YAG lāzeru, impulsēšanai. Tie rada augstas intensitātes gaismas uzliesmojumu, kas ierosina lāzera vidi.

Loka lampasLīdzīgi kā zibspuldzes, bet paredzētas nepārtrauktai darbībai, loka lampas nodrošina pastāvīgu intensīvas gaismas avotu. Tās izmanto lietojumos, kur nepieciešama nepārtrauktas darbības lāzers.

LED (gaismas diodes)Lai gan gaismas diodes nav tik izplatītas kā lāzerdiodes, tās var izmantot optiskai impulsēšanai noteiktos mazjaudas lietojumos. To priekšrocības nodrošina ilgs kalpošanas laiks, zemas izmaksas un pieejamība dažādos viļņu garumos.

Saules gaismaDažās eksperimentālās iekārtās koncentrēta saules gaisma ir izmantota kā sūknēšanas avots saules enerģijas sūknētiem lāzeriem. Šī metode izmanto saules enerģiju, padarot to par atjaunojamu un rentablu avotu, lai gan tā ir mazāk kontrolējama un mazāk intensīva salīdzinājumā ar mākslīgajiem gaismas avotiem.

Šķiedru savienotas lāzerdiodesTās ir lāzera diodes, kas savienotas ar optiskajām šķiedrām, kuras efektīvāk piegādā sūknēšanas gaismu lāzera videi. Šī metode ir īpaši noderīga šķiedru lāzeros un situācijās, kad precīza sūknēšanas gaismas piegāde ir ļoti svarīga.

Citi lāzeriDažreiz viens lāzers tiek izmantots cita lāzera sūknēšanai. Piemēram, frekvences divkāršošanas Nd:YAG lāzeru var izmantot krāsu lāzera sūknēšanai. Šo metodi bieži izmanto, ja sūknēšanas procesam ir nepieciešami specifiski viļņu garumi, ko nav viegli panākt ar parastajiem gaismas avotiem. 

 

Diodes sūknēts cietvielu lāzers

Sākotnējais enerģijas avotsProcess sākas ar diodes lāzeru, kas kalpo kā sūkņa avots. Diodes lāzeri tiek izvēlēti to efektivitātes, kompaktā izmēra un spējas izstarot gaismu noteiktos viļņu garumos dēļ.

Sūkņa gaisma:Diodes lāzers izstaro gaismu, ko absorbē cietvielu pastiprināšanas vide. Diodes lāzera viļņa garums ir pielāgots pastiprināšanas vides absorbcijas raksturlielumiem.

CietvieluVidēja pastiprinājuma

Materiāls:DPSS lāzeru pastiprināšanas vide parasti ir cietvielu materiāls, piemēram, Nd:YAG (ar neodīmu leģēts itrija alumīnija granāts), Nd:YVO4 (ar neodīmu leģēts itrija ortovanadāts) vai Yb:YAG (ar iterbiju leģēts 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 diodes lāzera sūknēšanas gaisma nonāk pastiprināšanas vidē, retzemju joni absorbē šo enerģiju un tiek ierosināti augstākas enerģijas stāvokļos.

Iedzīvotāju inversija

Iedzīvotāju inversijas sasniegšana:Lāzera darbības atslēga ir populācijas inversijas panākšana pastiprināšanas vidē. Tas nozīmē, ka vairāk jonu atrodas ierosinātā stāvoklī nekā pamatstāvoklī.

Stimulētā emisija:Kad populācijas inversija ir panākta, fotona ievadīšana, kas atbilst enerģijas starpībai starp ierosināto un pamatstāvokli, var stimulēt ierosinātos jonus atgriezties pamatstāvoklī, procesā izstarojot fotonu.

 

Optiskais rezonators

Spoguļi: Pastiprināšanas vide tiek ievietota optiskā rezonatora iekšpusē, ko parasti veido divi spoguļi katrā vides galā.

Atgriezeniskā saite un pastiprinājums: Viens no spoguļiem ir ļoti atstarojošs, bet otrs ir daļēji atstarojošs. Fotoni atsitas starp šiem spoguļiem, stimulējot lielāku emisiju un pastiprinot gaismu.

 

Lāzera emisija

Koherenta gaisma: Izstarotie fotoni ir koherenti, kas nozīmē, ka tie atrodas fāzē un tiem ir vienāds viļņa garums.

Izeja: 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 Pieteikumi Priekšrocības Izaicinājumi
Sānu sūknēšana Sūkņa gaisma, kas tiek ievadīta perpendikulāri lāzera videi Stieņu vai šķiedru lāzeri Vienmērīgs sūkņa gaismas sadalījums, piemērots lieljaudas lietojumprogrammām Nevienmērīgs pastiprinājuma sadalījums, zemāka stara kvalitāte
Beigu sūknēšana Sūkņa gaisma, kas vērsta pa to pašu asi kā lāzera stars Cietvielu lāzeri, piemēram, Nd:YAG Vienmērīgs pastiprinājuma sadalījums, augstāka staru kvalitāte Sarežģīta izlīdzināšana, mazāk efektīva siltuma izkliede lieljaudas lāzeros

Prasības efektīvam 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 Jābūt pietiekami augstam vēlamajam ierosmes līmenim Pārāk augsta intensitāte var izraisīt termiskus bojājumus; pārāk zema intensitāte nenodrošinās populācijas inversiju. -
Stara kvalitāte Īpaši kritiski svarīgi gala sūknēšanas lāzeros Nodrošina efektīvu savienošanu un veicina izstarotā lāzera stara kvalitāti Augstas staru kūļa kvalitāte ir ļoti svarīga precīzai sūkņa gaismas un lāzera režīma skaļuma pārklāšanai.
Polarizācija Nepieciešams vidēm ar anizotropiskām īpašībām Uzlabo absorbcijas efektivitāti un var ietekmēt izstarotās lāzera gaismas polarizāciju Var būt nepieciešams specifisks polarizācijas stāvoklis
Intensitātes troksnis Zems trokšņa līmenis ir ļoti svarīgs Sūkņa gaismas intensitātes svārstības var ietekmēt lāzera izejas kvalitāti un stabilitāti Svarīgi lietojumiem, kam nepieciešama augsta stabilitāte un precizitāte
Saistīts lāzera pielietojums
Saistītie produkti

Publicēšanas laiks: 2023. gada 1. decembris