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Im Wesentlichen ist das Laserpumpen der Prozess, ein Medium zu energetisieren, um einen Zustand zu erreichen, in dem es Laserlicht ausgeben kann. Dies wird typischerweise durch Injektion von Licht oder elektrischem Strom in das Medium erfolgen, seine Atome aufregen und zur Emission von kohärentem Licht führen. Dieser grundlegende Prozess hat sich seit dem Aufkommen der ersten Laser Mitte des 20. Jahrhunderts erheblich entwickelt.
Während häufig durch Ratengleichungen modelliert werden, ist das Laserpumpen im Grunde ein quantenmechanischer Prozess. Es beinhaltet komplizierte Wechselwirkungen zwischen Photonen und der atomaren oder molekularen Struktur des Verstärkungsmediums. Fortgeschrittene Modelle betrachten Phänomene wie Rabi -Oszillationen, die ein differenzierteres Verständnis dieser Wechselwirkungen bieten.
Das Laserpumpen ist ein Prozess, bei dem Energie, typischerweise in Form von Licht oder elektrischem Strom, an das Gewinnmedium eines Lasers zugeführt wird, um seine Atome oder Moleküle zu höheren Energiezuständen zu erhöhen. Diese Energieübertragung ist entscheidend für die Erreichung der Populationsinversion, ein Zustand, in dem mehr Partikel angeregt werden als in einem niedrigeren Energiezustand, sodass das Medium das Licht durch stimulierte Emission verstärkt. Der Prozess beinhaltet komplizierte Quantenwechselwirkungen, die häufig durch Ratengleichungen oder fortgeschrittene Quantenmechanikrahmen modelliert werden. Zu den wichtigsten Aspekten gehören die Auswahl der Pumpenquelle (wie Laserdioden oder Entladungslampen), Pumpengeometrie (Seiten- oder Endpumpen) und die Optimierung der Pumpenlichteigenschaften (Spektrum, Intensität, Strahlqualität, Polarisation), um den spezifischen Anforderungen des Verstärkungsmediums zu entsprechen. Das Laserpumpen ist bei verschiedenen Lasertypen, einschließlich Festkörper-, Halbleiter- und Gaslasern, von grundlegender Bedeutung und ist für den effizienten und effektiven Betrieb des Lasers unerlässlich.
Sorten von optisch gepumpteten Lasern
1. Festkörperlaser mit dotierten Isolatoren
· Übersicht:Diese Laser verwenden ein elektrisch isolierendes Wirtsmedium und verlassen sich auf optisches Pumpen, um laseraktive Ionen zu energetisieren. Ein häufiges Beispiel ist Neodym in YAG -Lasern.
·Jüngste Forschungsergebnisse:Eine Studie von A. Antipov et al. Erörtert einen Festkörper-Nah-IR-Laser zum optischen Pumpen des Spin-Austauschs. Diese Forschung unterstreicht die Fortschritte in der Festkörperlasertechnologie, insbesondere im Nahinfrarot-Spektrum, was für Anwendungen wie medizinische Bildgebung und Telekommunikation von entscheidender Bedeutung ist.
Weitere Lektüre:Ein Festkörper-Nah-IR-Laser für das optische Pumpen des Spin-Austauschs
2. Halbleiterlaser
·Allgemeine Informationen: In der Regel können Halbleiterlaser elektrisch gepumptes Pumpen auch von optischem Pumpen profitieren, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Helligkeit erfordern, wie z.
·Jüngste Entwicklungen: Die Arbeit von U. Keller zu optischen Frequenzkämmen aus ultraschnellen Festkörper- und Halbleiterlasern bietet Einblicke in die Erzeugung stabiler Frequenzkämme aus diodengepumpten Festkörper- und Semikontorlasern. Dieser Fortschritt ist für Anwendungen in der optischen Frequenzmetrologie von Bedeutung.
Weitere Lektüre:Optische Frequenzkämme aus ultraschnellen Festkörper- und Halbleiterlasern
3.. Gaslaser
·Optisches Pumpen in Gaslasern: Bestimmte Arten von Gaslasern wie Alkali -Dampflasern verwenden optisches Pumpen. Diese Laser werden häufig in Anwendungen verwendet, die kohärente Lichtquellen mit bestimmten Eigenschaften erfordern.
Quellen für das optische Pumpen
Lampenlampen: In lampen gepumpten Lasern werden Entladungslampen für ihre hohe Leistung und ihr breites Spektrum verwendet. Ya Mandryko et al. entwickelte ein Leistungsmodell der Impuls-Bogenentladungserzeugung in aktiven Medien optischen Pumpen-Xenon-Lampen von Festkörperlasern. Dieses Modell hilft bei der Optimierung der Leistung von Impulspumpenlampen, die für den effizienten Laserbetrieb von entscheidender Bedeutung sind.
Laserdioden:Laserdioden werden in diodengepumpten Lasern verwendet und bieten Vorteile wie hohe Effizienz, kompakte Größe und die Fähigkeit, fein abgestimmt zu werden.
Weitere Lektüre:Was ist eine Laserdiode?
Blitzlampen: Blitzlampen sind intensive Breitbandlichtquellen, die üblicherweise zum Pumpen von Festkörperlasern wie Ruby oder ND: YAG-Lasern verwendet werden. Sie bieten einen leichten Lichtausbruch, der das Lasermedium erregt.
Lichtbogenlampen: Ähnlich wie Blitzlampen, die jedoch für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt sind, bieten Lichtbogenlampen eine stetige Quelle intensives Licht. Sie werden in Anwendungen verwendet, bei denen der Laserbetrieb des kontinuierlichen Wellen (CW) erforderlich ist.
LEDs (leichte Dioden): Obwohl sie nicht so häufig wie Laserdioden sind, können LEDs in bestimmten Anwendungen mit geringer Leistung zum optischen Pumpen verwendet werden. Sie sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, kostengünstigen Kosten und Verfügbarkeit in verschiedenen Wellenlängen vorteilhaft.
Sonnenlicht: In einigen experimentellen Setups wurde konzentriertes Sonnenlicht als Pumpequelle für solarbumpige Laser verwendet. Diese Methode nutzt Solarenergie und macht sie zu einer erneuerbaren und kostengünstigen Quelle, obwohl sie im Vergleich zu künstlichen Lichtquellen weniger kontrollierbar und weniger intensiv ist.
Fasergekoppelte Laserdioden: Dies sind Laserdioden, die mit optischen Fasern gekoppelt sind, die die Pumpe Licht effizienter für das Lasermedium liefern. Diese Methode ist besonders nützlich in Faserlasern und in Situationen, in denen eine präzise Abgabe von Pumpenlicht von entscheidender Bedeutung ist.
Andere Laser: Manchmal wird ein Laser verwendet, um einen anderen zu pumpen. Zum Beispiel kann ein Frequenz-doppeltes ND: YAG-Laser verwendet werden, um einen Farbstofflaser zu pumpen. Diese Methode wird häufig verwendet, wenn für den Pumpprozess bestimmte Wellenlängen erforderlich sind, die mit herkömmlichen Lichtquellen nicht leicht erreicht werden.
Dioden-gepumptem Festkörperlaser
Anfängliche Energiequelle: Der Vorgang beginnt mit einem Diodenlaser, der als Pumpequelle dient. Diodenlaser werden für ihre Effizienz, kompakte Größe und Fähigkeit ausgewählt, Licht bei bestimmten Wellenlängen zu emittieren.
Pumplicht:Der Diodenlaser emittiert Licht, das vom Festkörperverstärkungsmedium absorbiert wird. Die Wellenlänge des Diodenlasers ist auf die Absorptionseigenschaften des Verstärkungsmediums zugeschnitten.
FestkörperMedium gewinnen
Material:Das Verstärkungsmedium in DPSS-Lasern ist typischerweise ein Festkörpermaterial wie ND: YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat), ND: YVO4 (Neodym-dotierte yttrium orthovanadate) oder yag (ytterbium-doped yttrium garnet garnet).
Doping:Diese Materialien werden mit seltenen Erdionen (wie ND oder YB) dotiert, die aktiven Laserionen sind.
Energieabsorption und Anregung:Wenn die Pumpe Licht aus dem Diodenlaser in das Verstärkungsmedium gelangt, absorbieren die Seltenerer-Ionen diese Energie und werden auf höhere Energiezustände angeregt.
Bevölkerungsinversion
Erreichung der Bevölkerungsinversion:Der Schlüssel zur Laseraktion liegt darin, eine Bevölkerungsinversion im Gewinnmedium zu erreichen. Dies bedeutet, dass sich mehr Ionen in einem angeregten Zustand befinden als im Grundzustand.
Stimulierte Emission:Sobald die Bevölkerungsinversion erreicht ist, kann die Einführung eines Photons, das der Energiedifferenz zwischen den angeregten und Bodenzuständen entspricht, die angeregten Ionen dazu anregen, in den Grundzustand zurückzukehren und dabei ein Photon zu emittieren.
Optischer Resonator
Spiegel: Das Verstärkungsmedium befindet sich in einem optischen Resonator, der typischerweise durch zwei Spiegel an jedem Ende des Mediums gebildet wird.
Feedback und Verstärkung: Einer der Spiegel ist sehr reflektierend und der andere spiegelt sich teilweise wider. Photonen springen zwischen diesen Spiegeln hin und her, stimulieren mehr Emissionen und verstärken das Licht.
Laseremission
Kohärentes Licht: Die emittierten Photonen sind kohärent, was bedeutet, dass sie in Phase sind und die gleiche Wellenlänge haben.
Ausgang: Der teilweise reflektierende Spiegel lässt einen Teil dieses Lichts durchlaufen und bilden den Laserstrahl, der den DPSS -Laser verlässt.
Pumpengeometrien: Seiten- und Endpumpen
| Pumpmethode | Beschreibung | Anwendungen | Vorteile | Herausforderungen |
|---|---|---|---|---|
| Seitenpumpen | Pumpe Licht senkrecht zum Lasermedium eingeführt | Stangen- oder Faserlaser | Einheitliche Verteilung von Pumpenlicht, geeignet für Hochleistungsanwendungen | Ungleichmäßige Verstärkungsverteilung, niedrigere Strahlqualität |
| Endpumpen | Pumpe Licht entlang derselben Achse wie der Laserstrahl gerichtet | Festkörperlaser wie ND: YAG | Einheitliche Verteilung der Gewinn, Qualität höherer Strahlqualität | Komplexe Ausrichtung, weniger effiziente Wärmeableitungen in Hochleistungslasern |
Anforderungen für effektives Pumpenlicht
| Erfordernis | Bedeutung | Auswirkungen/Gleichgewicht | Zusätzliche Notizen |
|---|---|---|---|
| Spektrumeignung | Die Wellenlänge muss mit dem Absorptionsspektrum des Lasermediums übereinstimmen | Sorgt für eine effiziente Absorption und eine effektive Bevölkerungsinversion | - |
| Intensität | Muss hoch genug sein, um das gewünschte Anregungsniveau zu erhalten | Übermäßig hohe Intensitäten können thermische Schäden verursachen; Zu niedrig wird keine Bevölkerungsinversion erreicht | - |
| Strahlqualität | Besonders kritisch in endgültigen Lasern | Gewährleistet eine effiziente Kopplung und trägt zu emittierter Laserstrahlqualität bei | Die Qualität mit hoher Strahl |
| Polarisation | Für Medien mit anisotropen Eigenschaften erforderlich | Verbessert die Absorptionseffizienz und kann die emittierte Laserlichtpolarisation beeinflussen | Ein spezifischer Polarisationszustand kann erforderlich sein |
| Intensitätsgeräusch | Niedrige Geräuschpegel sind entscheidend | Schwankungen bei der Intensität der Pumpe können die Qualität und Stabilität der Laserleistung beeinflussen | Wichtig für Anwendungen, die hohe Stabilität und Präzision erfordern |
Postzeit: Dezember 01-2023