Εγγραφείτε στα Social Media μας για άμεση δημοσίευση
Στην ουσία, η άντληση λέιζερ είναι η διαδικασία ενεργοποίησης ενός μέσου για να επιτευχθεί μια κατάσταση όπου μπορεί να εκπέμπει φως λέιζερ. Αυτό γίνεται συνήθως με έγχυση φωτός ή ηλεκτρικού ρεύματος στο μέσο, διεγείροντας τα άτομα 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 με λέιζερ είναι βασικά μια κβαντομηχανική διαδικασία. Περιλαμβάνει περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων και της ατομικής ή μοριακής δομής του μέσου απολαβής. Τα προηγμένα μοντέλα εξετάζουν φαινόμενα όπως οι ταλαντώσεις Rabi, τα οποία παρέχουν μια πιο λεπτή κατανόηση αυτών των αλληλεπιδράσεων.
Η άντληση με λέιζερ είναι μια διαδικασία όπου η 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 καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας. Αυτή η μεταφορά ενέργειας είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη της αναστροφής του πληθυσμού, μια κατάσταση όπου διεγείρονται περισσότερα σωματίδια από ό,τι σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, επιτρέποντας στο μέσο να ενισχύει το φως μέσω διεγερμένης εκπομπής. Η διαδικασία περιλαμβάνει περίπλοκες κβαντικές αλληλεπιδράσεις, που συχνά μοντελοποιούνται μέσω εξισώσεων ρυθμού ή πιο προηγμένων κβαντομηχανικών πλαισίων. Οι βασικές πτυχές περιλαμβάνουν την επιλογή της πηγής αντλίας (όπως διόδους λέιζερ ή λαμπτήρες εκκένωσης), τη γεωμετρία της αντλίας (πλευρική ή ακραία άντληση) και τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών φωτός της αντλίας (φάσμα, ένταση, ποιότητα δέσμης, πόλωση) για να ταιριάζει με τις ειδικές απαιτήσεις του κέρδος μέσο. Η άντληση με λέιζερ είναι θεμελιώδης σε διάφορους τύπους λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ στερεάς κατάστασης, ημιαγωγών και αερίου, και είναι απαραίτητη για την αποδοτική και αποτελεσματική λειτουργία του λέιζερ.
Ποικιλίες Οπτικά Αντλούμενου Λέιζερ
1. Λέιζερ στερεάς κατάστασης με μονωτήρες ντόπινγκ
· Επισκόπηση:Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούν ένα ηλεκτρικά μονωτικό μέσο υποδοχής και βασίζονται στην οπτική άντληση για την ενεργοποίηση των ενεργών ιόντων λέιζερ. Ένα κοινό παράδειγμα είναι το νεοδύμιο στα λέιζερ YAG.
·Πρόσφατη έρευνα:Μια μελέτη των A. Antipov et al. περιγράφει ένα λέιζερ σχεδόν IR στερεάς κατάστασης για οπτική άντληση ανταλλαγής σπιν. Αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τις εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ στερεάς κατάστασης, ιδιαίτερα στο φάσμα εγγύς υπέρυθρο, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για εφαρμογές όπως η ιατρική απεικόνιση και οι τηλεπικοινωνίες.
Περαιτέρω ανάγνωση:Ένα λέιζερ εγγύς υπερύθρων στερεάς κατάστασης για οπτική άντληση περιστροφικής ανταλλαγής
2. Λέιζερ ημιαγωγών
·Γενικές πληροφορίες: Τα λέιζερ ημιαγωγών που αντλούνται συνήθως με ηλεκτρική άντληση μπορούν επίσης να επωφεληθούν από την οπτική άντληση, ειδικά σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή φωτεινότητα, όπως τα λέιζερ που εκπέμπουν κάθετη εξωτερική κοιλότητα επιφάνειας (VECSEL).
·Πρόσφατες εξελίξεις: Η εργασία του U. Keller σχετικά με χτένες οπτικής συχνότητας από υπερταχεία λέιζερ στερεάς κατάστασης και ημιαγωγών παρέχει πληροφορίες για τη δημιουργία χτενών σταθερής συχνότητας από λέιζερ στερεάς κατάστασης και ημιαγωγών με αντλία διόδου. Αυτή η πρόοδος είναι σημαντική για εφαρμογές στη μετρολογία οπτικών συχνοτήτων.
Περαιτέρω ανάγνωση:Χτένια οπτικής συχνότητας από εξαιρετικά γρήγορα 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 εκκένωσης: Συνήθης στα λέιζερ που αντλούνται από λαμπτήρες, οι λαμπτήρες εκκένωσης χρησιμοποιούνται για την υψηλή ισχύ και το ευρύ φάσμα τους. Υ.Α. Mandryko et al. ανέπτυξε ένα μοντέλο ισχύος παραγωγής εκκένωσης παλμικού τόξου σε λαμπτήρες ξένον οπτικής άντλησης ενεργών μέσων λέιζερ στερεάς κατάστασης. Αυτό το μοντέλο βοηθά στη βελτιστοποίηση της απόδοσης των λαμπτήρων ώθησης άντλησης, ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική λειτουργία λέιζερ.
Δίοδοι λέιζερ:Χρησιμοποιούνται σε λέιζερ με αντλία διόδου, οι δίοδοι λέιζερ προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή απόδοση, συμπαγές μέγεθος και δυνατότητα λεπτής ρύθμισης.
Περαιτέρω ανάγνωση:τι είναι μια δίοδος λέιζερ;
Λαμπτήρες φλας: Οι λαμπτήρες φλας είναι έντονες πηγές φωτός ευρέος φάσματος που χρησιμοποιούνται συνήθως για την άντληση λέιζερ στερεάς κατάστασης, όπως λέιζερ ρουμπίνι ή Nd:YAG. Παρέχουν μια έκρηξη φωτός υψηλής έντασης που διεγείρει το μέσο λέιζερ.
Λαμπτήρες τόξου: Παρόμοια με τους λαμπτήρες φλας, αλλά σχεδιασμένοι για συνεχή λειτουργία, οι λαμπτήρες 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, τα LED μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οπτική άντληση σε ορισμένες εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης. Συμφέρουν λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής, του χαμηλού κόστους και της διαθεσιμότητας σε διάφορα μήκη κύματος.
Ηλιακό φως: Σε ορισμένες πειραματικές εγκαταστάσεις, το συγκεντρωμένο ηλιακό φως έχει χρησιμοποιηθεί ως πηγή αντλίας για λέιζερ με ηλιακή άντληση. Αυτή η μέθοδος αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια, καθιστώντας την ανανεώσιμη και οικονομικά αποδοτική πηγή, αν και είναι λιγότερο ελεγχόμενη και λιγότερο έντονη σε σύγκριση με τις τεχνητές πηγές φωτός.
Δίοδοι λέιζερ συζευγμένων με ίνες: Πρόκειται για διόδους λέιζερ συνδεδεμένες με οπτικές ίνες, οι οποίες μεταδίδουν το φως της αντλίας πιο αποτελεσματικά στο μέσο λέιζερ. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε λέιζερ ινών και σε καταστάσεις όπου η ακριβής παροχή του φωτός της αντλίας είναι ζωτικής σημασίας.
Άλλα Laser: Μερικές φορές, ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για την άντληση ενός άλλου. Για παράδειγμα, ένα λέιζερ Nd: YAG διπλασιασμένης συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση ενός λέιζερ βαφής. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά όταν απαιτούνται συγκεκριμένα μήκη κύματος για τη διαδικασία άντλησης που δεν επιτυγχάνεται εύκολα με συμβατικές πηγές φωτός.
Λέιζερ στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου
Αρχική Πηγή Ενέργειας: Η διαδικασία ξεκινά με ένα διοδικό λέιζερ, το οποίο χρησιμεύει ως πηγή αντλίας. Τα λέιζερ διόδου επιλέγονται για την αποτελεσματικότητά τους, το συμπαγές μέγεθος και την ικανότητά τους να εκπέμπουν φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος.
Φως αντλίας:Το λέιζερ διόδου εκπέμπει φως που απορροφάται από το μέσο απολαβής στερεάς κατάστασης. Το μήκος κύματος του λέιζερ διόδου είναι προσαρμοσμένο ώστε να ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά απορρόφησης του μέσου απολαβής.
Στερεά κατάστασηΚερδίστε το μέσο
Υλικό:Το μέσο απολαβής στα λέιζερ DPSS είναι συνήθως ένα υλικό στερεάς κατάστασης όπως Nd:YAG (Γρανάτης αργιλίου υττρίου με πρόσμειξη νεοδυμίου), Nd:YVO4 (ορθοβαναδικό ύττριο με πρόσμειξη νεοδυμίου) ή Yb:YAG (Γρανάτης αλουμινίου υττρίου με πρόσμειξη υττέρβιου).
Ντοπάρισμα:Αυτά τα υλικά είναι ντοπαρισμένα με ιόντα σπανίων γαιών (όπως Nd ή Yb), τα οποία είναι τα ενεργά ιόντα λέιζερ.
Απορρόφηση και διέγερση ενέργειας:Όταν το φως της αντλίας από το λέιζερ διόδου εισέρχεται στο μέσο απολαβής, τα ιόντα σπανίων γαιών απορροφούν αυτήν την ενέργεια και διεγείρονται σε καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας.
Αναστροφή πληθυσμού
Επίτευξη Αναστροφής Πληθυσμού:Το κλειδί για τη δράση λέιζερ είναι η επίτευξη αντιστροφής πληθυσμού στο μέσο απολαβής. Αυτό σημαίνει ότι περισσότερα ιόντα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση παρά στη βασική κατάσταση.
Διεγερμένη εκπομπή: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 στη θεμελιώδη κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο στη διαδικασία.
Οπτικό Αντηχείο
Καθρέφτες: Το μέσο απολαβής τοποθετείται μέσα σε έναν οπτικό συντονιστή, που συνήθως σχηματίζεται από δύο κάτοπτρα σε κάθε άκρο του μέσου.
Ανάδραση και ενίσχυση: Ένας από τους καθρέφτες είναι ιδιαίτερα ανακλαστικός και ο άλλος είναι μερικώς ανακλαστικός. Τα φωτόνια αναπηδούν εμπρός και πίσω μεταξύ αυτών των κατόπτρων, διεγείροντας περισσότερες εκπομπές και ενισχύοντας το φως.
Εκπομπή λέιζερ
Συνεκτικό φως: Τα φωτόνια που εκπέμπονται είναι συνεκτικά, δηλαδή βρίσκονται σε φάση και έχουν το ίδιο μήκος κύματος.
Έξοδος: Ο μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης επιτρέπει σε μέρος αυτού του φωτός να περάσει, σχηματίζοντας τη δέσμη λέιζερ που εξέρχεται από το λέιζερ DPSS.
Γεωμετρίες άντλησης: Πλευρική έναντι τελικής άντλησης
| Μέθοδος άντλησης | Περιγραφή | Εφαρμογές | Φόντα | Προκλήσεις |
|---|---|---|---|---|
| Πλευρική άντληση | Το φως της αντλίας εισάγεται κάθετα στο μέσο λέιζερ | Λέιζερ ράβδου ή ινών | Ομοιόμορφη κατανομή του φωτός της αντλίας, κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής ισχύος | Μη ομοιόμορφη κατανομή κέρδους, χαμηλότερη ποιότητα δέσμης |
| Τέλος άντλησης | Αντλία φως 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 | Οι υπερβολικά υψηλές εντάσεις μπορούν να προκαλέσουν θερμική βλάβη. πολύ χαμηλό δεν θα επιτύχει αντιστροφή πληθυσμού | - |
| Ποιότητα δέσμης | Ιδιαίτερα κρίσιμο σε λέιζερ με ακραία αντλία | Εξασφαλίζει αποτελεσματική σύζευξη και συμβάλλει στην ποιότητα της εκπεμπόμενης δέσμης λέιζερ | Η ποιότητα της υψηλής δέσμης είναι ζωτικής σημασίας για την ακριβή επικάλυψη του φωτός της αντλίας και του όγκου λειτουργίας λέιζερ |
| Πόλωση | Απαιτείται για μέσα με ανισότροπες ιδιότητες | Ενισχύει την αποτελεσματικότητα απορρόφησης και μπορεί να επηρεάσει την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός λέιζερ | Μπορεί να απαιτείται συγκεκριμένη κατάσταση πόλωσης |
| Ένταση Θόρυβος | Τα χαμηλά επίπεδα θορύβου είναι ζωτικής σημασίας | Οι διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός της αντλίας μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα και τη σταθερότητα εξόδου λέιζερ | Σημαντικό για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή σταθερότητα και ακρίβεια |
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-01-2023