Εγγραφείτε στα μέσα κοινωνικής δικτύωσής μας για άμεσες δημοσιεύσεις
Στην ουσία της, η άντληση λέιζερ είναι η διαδικασία ενεργοποίησης ενός μέσου για να επιτευχθεί μια κατάσταση όπου μπορεί να εκπέμπει φως λέιζερ. Αυτό συνήθως γίνεται με την έγχυση φωτός ή ηλεκτρικού ρεύματος στο μέσο, διεγείροντας τα άτομά του και οδηγώντας στην εκπομπή συνεκτικού φωτός. Αυτή η θεμελιώδης διαδικασία έχει εξελιχθεί σημαντικά από την εμφάνιση των πρώτων λέιζερ στα μέσα του 20ού αιώνα.
Ενώ συχνά μοντελοποιείται με εξισώσεις ρυθμού, η άντληση λέιζερ είναι ουσιαστικά μια κβαντομηχανική διαδικασία. Περιλαμβάνει περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων και της ατομικής ή μοριακής δομής του μέσου κέρδους. Τα προηγμένα μοντέλα λαμβάνουν υπόψη φαινόμενα όπως οι ταλαντώσεις Rabi, τα οποία παρέχουν μια πιο λεπτομερή κατανόηση αυτών των αλληλεπιδράσεων.
Η άντληση λέιζερ είναι μια διαδικασία όπου ενέργεια, συνήθως με τη μορφή φωτός ή ηλεκτρικού ρεύματος, παρέχεται στο μέσο κέρδους ενός λέιζερ για να ανυψώσει τα άτομα ή τα μόριά του σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Αυτή η μεταφορά ενέργειας είναι κρίσιμη για την επίτευξη αντιστροφής πληθυσμού, μιας κατάστασης όπου περισσότερα σωματίδια διεγείρονται από ό,τι σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, επιτρέποντας στο μέσο να ενισχύσει το φως μέσω διεγερμένης εκπομπής. Η διαδικασία περιλαμβάνει περίπλοκες κβαντικές αλληλεπιδράσεις, που συχνά μοντελοποιούνται μέσω εξισώσεων ρυθμού ή πιο προηγμένων κβαντομηχανικών πλαισίων. Βασικές πτυχές περιλαμβάνουν την επιλογή της πηγής άντλησης (όπως διόδους λέιζερ ή λαμπτήρες εκκένωσης), τη γεωμετρία της αντλίας (πλευρική ή τελική άντληση) και τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών του φωτός άντλησης (φάσμα, ένταση, ποιότητα δέσμης, πόλωση) ώστε να ταιριάζουν με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του μέσου κέρδους. Η άντληση λέιζερ είναι θεμελιώδης σε διάφορους τύπους λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ στερεάς κατάστασης, ημιαγωγών και αερίου, και είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική και αποδοτική λειτουργία του λέιζερ.
Ποικιλίες οπτικά αντλούμενων λέιζερ
1. Λέιζερ στερεάς κατάστασης με προσμειωμένους μονωτές
· Επισκόπηση:Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούν ένα ηλεκτρικά μονωτικό μέσο υποδοχής και βασίζονται στην οπτική άντληση για την ενεργοποίηση ιόντων που είναι ενεργά από λέιζερ. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι το νεοδύμιο στα λέιζερ YAG.
·Πρόσφατη Έρευνα:Μια μελέτη των A. Antipov et al. συζητά ένα στερεάς κατάστασης λέιζερ εγγύς υπέρυθρου για οπτική άντληση με ανταλλαγή σπιν. Αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τις εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ στερεάς κατάστασης, ιδιαίτερα στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα, το οποίο είναι κρίσιμο για εφαρμογές όπως η ιατρική απεικόνιση και οι τηλεπικοινωνίες.
Περαιτέρω ανάγνωση:Ένα λέιζερ στερεάς κατάστασης εγγύς υπέρυθρου για οπτική άντληση ανταλλαγής σπιν
2. Λέιζερ ημιαγωγών
·Γενικές πληροφορίες: Τα λέιζερ ημιαγωγών, που συνήθως αντλούνται ηλεκτρικά, μπορούν επίσης να επωφεληθούν από την οπτική άντληση, ειδικά σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή φωτεινότητα, όπως τα λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κάθετης εξωτερικής κοιλότητας (VECSEL).
·Πρόσφατες Εξελίξεις: Η εργασία του U. Keller σχετικά με τις οπτικές χτένες συχνότητας από υπερταχέα λέιζερ στερεάς κατάστασης και ημιαγωγών παρέχει πληροφορίες για τη δημιουργία σταθερών χτένων συχνότητας από λέιζερ στερεάς κατάστασης και ημιαγωγών με διοδική άντληση. Αυτή η πρόοδος είναι σημαντική για εφαρμογές στην οπτική μετρολογία συχνότητας.
Περαιτέρω ανάγνωση:Χτενίσματα οπτικής συχνότητας από υπερταχέα λέιζερ στερεάς κατάστασης και ημιαγωγών
3. Λέιζερ αερίου
·Οπτική άντληση σε λέιζερ αερίου: Ορισμένοι τύποι λέιζερ αερίου, όπως τα λέιζερ αλκαλικών ατμών, χρησιμοποιούν οπτική άντληση. Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούνται συχνά σε εφαρμογές που απαιτούν συνεκτικές πηγές φωτός με συγκεκριμένες ιδιότητες.
Πηγές για οπτική άντληση
Λαμπτήρες εκκένωσηςΣυνηθισμένες στα λέιζερ με λάμπα άντλησης, οι λαμπτήρες εκκένωσης χρησιμοποιούνται λόγω της υψηλής ισχύος και του ευρέος φάσματος τους. Οι YA Mandryko et al. ανέπτυξαν ένα μοντέλο ισχύος για την παραγωγή ωστικού τόξου εκκένωσης σε λαμπτήρες xenon οπτικής άντλησης ενεργού μέσου λέιζερ στερεάς κατάστασης. Αυτό το μοντέλο βοηθά στη βελτιστοποίηση της απόδοσης των λαμπτήρων άντλησης ώθησης, που είναι κρίσιμο για την αποτελεσματική λειτουργία του λέιζερ.
Δίοδοι λέιζερ:Χρησιμοποιούμενες σε λέιζερ με διόδους άντλησης, οι δίοδοι λέιζερ προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή απόδοση, συμπαγές μέγεθος και δυνατότητα λεπτής ρύθμισης.
Περαιτέρω ανάγνωση:Τι είναι μια δίοδος λέιζερ;
Λάμπες φλαςΟι λάμπες φλας είναι έντονες πηγές φωτός ευρέος φάσματος που χρησιμοποιούνται συνήθως για την άντληση λέιζερ στερεάς κατάστασης, όπως λέιζερ ρουμπινιού ή Nd:YAG. Παρέχουν μια έκρηξη φωτός υψηλής έντασης που διεγείρει το μέσο λέιζερ.
Λαμπτήρες τόξουΠαρόμοιες με τις λάμπες φλας αλλά σχεδιασμένες για συνεχή λειτουργία, οι λάμπες τόξου προσφέρουν μια σταθερή πηγή έντονου φωτός. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται λειτουργία λέιζερ συνεχούς κύματος (CW).
LED (Δίοδοι Εκπομπής Φωτός)Αν και δεν είναι τόσο συνηθισμένες όσο οι δίοδοι λέιζερ, οι λυχνίες LED μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οπτική άντληση σε ορισμένες εφαρμογές χαμηλής ισχύος. Παρουσιάζουν πλεονεκτήματα λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, του χαμηλού κόστους και της διαθεσιμότητάς τους σε διάφορα μήκη κύματος.
Ηλιακό φωςΣε ορισμένες πειραματικές διατάξεις, το συγκεντρωμένο ηλιακό φως έχει χρησιμοποιηθεί ως πηγή άντλησης για λέιζερ που αντλούνται από την ηλιακή ενέργεια. Αυτή η μέθοδος αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια, καθιστώντας την μια ανανεώσιμη και οικονομικά αποδοτική πηγή, αν και είναι λιγότερο ελεγχόμενη και λιγότερο έντονη σε σύγκριση με τις τεχνητές πηγές φωτός.
Δίοδοι λέιζερ με ίνεςΑυτές είναι δίοδοι λέιζερ συνδεδεμένες με οπτικές ίνες, οι οποίες μεταφέρουν το φως αντλίας πιο αποτελεσματικά στο μέσο λέιζερ. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε λέιζερ οπτικών ινών και σε περιπτώσεις όπου η ακριβής παροχή φωτός αντλίας είναι ζωτικής σημασίας.
Άλλα λέιζερΜερικές φορές, ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για την άντληση ενός άλλου. Για παράδειγμα, ένα λέιζερ Nd:YAG διπλής συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση ενός λέιζερ χρωστικής. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά όταν απαιτούνται συγκεκριμένα μήκη κύματος για τη διαδικασία άντλησης, κάτι που δεν επιτυγχάνεται εύκολα με συμβατικές πηγές φωτός.
Λέιζερ στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου
Αρχική πηγή ενέργειαςΗ διαδικασία ξεκινά με ένα διοδικό λέιζερ, το οποίο χρησιμεύει ως πηγή αντλίας. Τα διοδικά λέιζερ επιλέγονται για την αποτελεσματικότητά τους, το συμπαγές μέγεθος και την ικανότητά τους να εκπέμπουν φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος.
Φως αντλίας:Το διοδικό λέιζερ εκπέμπει φως που απορροφάται από το μέσο κέρδους στερεάς κατάστασης. Το μήκος κύματος του διοδικού λέιζερ προσαρμόζεται ώστε να ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά απορρόφησης του μέσου κέρδους.
Στερεάς ΚατάστασηςΜέσο κέρδος
Υλικό:Το μέσο κέρδους στα λέιζερ DPSS είναι συνήθως ένα υλικό στερεάς κατάστασης όπως Nd:YAG (Γρανάτης αλουμινίου ύττριου με προσμίξεις νεοδυμίου), Nd:YVO4 (ορθοβαναδικό ύττριο με προσμίξεις νεοδυμίου) ή Yb:YAG (γρανάτης αλουμινίου ύττριου με προσμίξεις υττερβίου).
Ντοπάρισμα:Αυτά τα υλικά είναι εμπλουτισμένα με ιόντα σπάνιων γαιών (όπως Nd ή Yb), τα οποία είναι τα ενεργά ιόντα λέιζερ.
Απορρόφηση και Διέγερση Ενέργειας:Όταν το φως άντλησης από το διοδικό λέιζερ εισέρχεται στο μέσο κέρδους, τα ιόντα σπάνιων γαιών απορροφούν αυτήν την ενέργεια και διεγείρονται σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις.
Αντιστροφή πληθυσμού
Επίτευξη Αντιστροφής Πληθυσμού:Το κλειδί για τη δράση του λέιζερ είναι η επίτευξη αντιστροφής πληθυσμού στο μέσο κέρδους. Αυτό σημαίνει ότι περισσότερα ιόντα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση από ό,τι στην θεμελιώδη κατάσταση.
Διεγερμένες Εκπομπές:Μόλις επιτευχθεί η αντιστροφή του πληθυσμού, η εισαγωγή ενός φωτονίου που αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας μεταξύ της διεγερμένης και της θεμελιώδους κατάστασης μπορεί να διεγείρει τα διεγερμένα ιόντα να επιστρέψουν στην θεμελιώδη κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο στη διαδικασία.
Οπτικός Συντονιστής
Καθρέφτες: Το μέσο κέρδους τοποθετείται μέσα σε έναν οπτικό συντονιστή, ο οποίος συνήθως σχηματίζεται από δύο καθρέφτες σε κάθε άκρο του μέσου.
Ανάδραση και Ενίσχυση: Ένας από τους καθρέφτες είναι έντονα ανακλαστικός και ο άλλος είναι μερικώς ανακλαστικός. Τα φωτόνια αναπηδούν μπρος-πίσω μεταξύ αυτών των καθρεφτών, διεγείροντας περισσότερες εκπομπές και ενισχύοντας το φως.
Εκπομπή λέιζερ
Συνεκτικό Φως: Τα φωτόνια που εκπέμπονται είναι συνεκτικά, που σημαίνει ότι βρίσκονται σε φάση και έχουν το ίδιο μήκος κύματος.
Έξοδος: Ο μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης επιτρέπει σε μέρος αυτού του φωτός να διέλθει, σχηματίζοντας τη δέσμη λέιζερ που εξέρχεται από το λέιζερ DPSS.
Γεωμετρίες Άντλησης: Πλευρική vs. Άκρη Άντλησης
| Μέθοδος άντλησης | Περιγραφή | Εφαρμογές | Φόντα | Προκλήσεις |
|---|---|---|---|---|
| Πλευρική άντληση | Φως αντλίας που εισάγεται κάθετα στο μέσο λέιζερ | Λέιζερ ράβδων ή ινών | Ομοιόμορφη κατανομή του φωτός της αντλίας, κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής ισχύος | Μη ομοιόμορφη κατανομή κέρδους, χαμηλότερη ποιότητα δέσμης |
| Τέλος άντλησης | Φως αντλίας κατευθυνόμενο κατά μήκος του ίδιου άξονα με τη δέσμη λέιζερ | Λέιζερ στερεάς κατάστασης όπως Nd:YAG | Ομοιόμορφη κατανομή κέρδους, υψηλότερη ποιότητα δέσμης | Πολύπλοκη ευθυγράμμιση, λιγότερο αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας σε λέιζερ υψηλής ισχύος |
Απαιτήσεις για αποτελεσματικό φως αντλίας
| Απαίτηση | Σπουδαιότητα | Αντίκτυπος/Ισορροπία | Πρόσθετες σημειώσεις |
|---|---|---|---|
| Καταλληλότητα φάσματος | Το μήκος κύματος πρέπει να ταιριάζει με το φάσμα απορρόφησης του μέσου λέιζερ | Εξασφαλίζει αποτελεσματική απορρόφηση και αποτελεσματική αντιστροφή πληθυσμού | - |
| Ενταση | Πρέπει να είναι αρκετά υψηλό για το επιθυμητό επίπεδο διέγερσης | Υπερβολικά υψηλές εντάσεις μπορούν να προκαλέσουν θερμική βλάβη, ενώ πολύ χαμηλές δεν θα επιτύχουν αντιστροφή πληθυσμού. | - |
| Ποιότητα δέσμης | Ιδιαίτερα κρίσιμο σε λέιζερ με άντληση στο άκρο | Εξασφαλίζει αποτελεσματική σύζευξη και συμβάλλει στην ποιότητα της εκπεμπόμενης δέσμης λέιζερ | Η ποιότητα της μεγάλης δέσμης είναι ζωτικής σημασίας για την ακριβή επικάλυψη του φωτός της αντλίας και της έντασης της λειτουργίας λέιζερ |
| Πόλωση | Απαιτείται για μέσα με ανισότροπες ιδιότητες | Βελτιώνει την απόδοση απορρόφησης και μπορεί να επηρεάσει την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός λέιζερ | Μπορεί να είναι απαραίτητη συγκεκριμένη κατάσταση πόλωσης |
| Ένταση Θορύβου | Τα χαμηλά επίπεδα θορύβου είναι ζωτικής σημασίας | Οι διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός της αντλίας μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα και τη σταθερότητα της εξόδου λέιζερ. | Σημαντικό για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή σταθερότητα και ακρίβεια |
Ώρα δημοσίευσης: 01-12-2023