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In sostanza, il pompaggio laser è il processo di energizzazione di un mezzo per raggiungere uno stato in cui può emettere luce laser. Questo avviene tipicamente iniettando luce o corrente elettrica nel mezzo, eccitandone gli atomi e portando all'emissione di luce coerente. Questo processo fondamentale si è evoluto significativamente dall'avvento dei primi laser a metà del XX secolo.
Sebbene spesso modellato da equazioni di velocità, il pompaggio laser è fondamentalmente un processo di meccanica quantistica. Coinvolge complesse interazioni tra i fotoni e la struttura atomica o molecolare del mezzo di guadagno. I modelli avanzati considerano fenomeni come le oscillazioni di Rabi, che forniscono una comprensione più dettagliata di queste interazioni.
Il pompaggio laser è un processo in cui energia, tipicamente sotto forma di luce o corrente elettrica, viene fornita al mezzo di guadagno di un laser per elevarne gli atomi o le molecole a stati energetici più elevati. Questo trasferimento di energia è cruciale per ottenere l'inversione di popolazione, uno stato in cui vengono eccitate più particelle rispetto a uno stato energetico inferiore, consentendo al mezzo di amplificare la luce tramite emissione stimolata. Il processo coinvolge complesse interazioni quantistiche, spesso modellate attraverso equazioni di velocità o modelli di meccanica quantistica più avanzati. Aspetti chiave includono la scelta della sorgente di pompaggio (come diodi laser o lampade a scarica), la geometria della pompa (pompaggio laterale o terminale) e l'ottimizzazione delle caratteristiche della luce di pompaggio (spettro, intensità, qualità del fascio, polarizzazione) per soddisfare i requisiti specifici del mezzo di guadagno. Il pompaggio laser è fondamentale in vari tipi di laser, inclusi i laser a stato solido, a semiconduttore e a gas, ed è essenziale per il funzionamento efficiente ed efficace del laser.
Varietà di laser a pompaggio ottico
1. Laser a stato solido con isolanti drogati
· Panoramica:Questi laser utilizzano un mezzo ospite elettricamente isolante e sfruttano il pompaggio ottico per energizzare gli ioni laserattivi. Un esempio comune è il neodimio nei laser YAG.
·Ricerche recenti:Uno studio di A. Antipov et al. discute un laser a stato solido nel vicino infrarosso per il pompaggio ottico a scambio di spin. Questa ricerca evidenzia i progressi nella tecnologia laser a stato solido, in particolare nello spettro del vicino infrarosso, cruciale per applicazioni come l'imaging medico e le telecomunicazioni.
Ulteriori letture:Un laser vicino all'infrarosso allo stato solido per il pompaggio ottico a scambio di spin
2. Laser a semiconduttore
·Informazioni generali: Tipicamente pompati elettricamente, i laser a semiconduttore possono anche trarre vantaggio dal pompaggio ottico, soprattutto nelle applicazioni che richiedono elevata luminosità, come i laser a emissione superficiale a cavità esterna verticale (VECSEL).
·Sviluppi recenti: il lavoro di U. Keller sui pettini di frequenza ottica da laser a stato solido e a semiconduttore ultraveloci fornisce spunti sulla generazione di pettini di frequenza stabili da laser a stato solido e a semiconduttore pompati a diodi. Questo progresso è significativo per le applicazioni nella metrologia della frequenza ottica.
Ulteriori letture:Pettini di frequenza ottica da laser a stato solido e a semiconduttore ultraveloci
3. Laser a gas
·Pompaggio ottico nei laser a gas: alcuni tipi di laser a gas, come i laser a vapori alcalini, utilizzano il pompaggio ottico. Questi laser sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono sorgenti luminose coerenti con proprietà specifiche.
Fonti per il pompaggio ottico
Lampade a scarica: Comuni nei laser a pompaggio a lampada, le lampade a scarica sono utilizzate per la loro elevata potenza e l'ampio spettro. YA Mandryko et al. hanno sviluppato un modello di potenza per la generazione di scariche ad arco a impulsi nelle lampade allo xeno a pompaggio ottico a mezzo attivo dei laser a stato solido. Questo modello aiuta a ottimizzare le prestazioni delle lampade a pompaggio a impulsi, cruciali per il funzionamento efficiente del laser.
Diodi laser:Utilizzati nei laser pompati a diodo, i diodi laser offrono vantaggi quali elevata efficienza, dimensioni compatte e possibilità di regolazione precisa.
Ulteriori letture:cos'è un diodo laser?
Lampade flash: Le lampade flash sono sorgenti luminose intense ad ampio spettro, comunemente utilizzate per il pompaggio di laser a stato solido, come i laser a rubino o Nd:YAG. Forniscono un'esplosione di luce ad alta intensità che eccita il mezzo laser.
Lampade ad arcoSimili alle lampade flash, ma progettate per il funzionamento continuo, le lampade ad arco offrono una fonte di luce intensa e costante. Sono utilizzate in applicazioni in cui è richiesto il funzionamento laser a onda continua (CW).
LED (diodi a emissione luminosa)Sebbene non siano comuni come i diodi laser, i LED possono essere utilizzati per il pompaggio ottico in alcune applicazioni a bassa potenza. Sono vantaggiosi grazie alla loro lunga durata, al basso costo e alla disponibilità in diverse lunghezze d'onda.
Luce solareIn alcuni contesti sperimentali, la luce solare concentrata è stata utilizzata come sorgente di pompaggio per laser a pompaggio solare. Questo metodo sfrutta l'energia solare, rendendola una fonte rinnovabile ed economica, sebbene sia meno controllabile e meno intensa rispetto alle fonti di luce artificiale.
Diodi laser accoppiati in fibra: Si tratta di diodi laser accoppiati a fibre ottiche, che distribuiscono la luce di pompaggio in modo più efficiente al mezzo laser. Questo metodo è particolarmente utile nei laser a fibra e in situazioni in cui la distribuzione precisa della luce di pompaggio è fondamentale.
Altri laser: A volte, un laser viene utilizzato per pomparne un altro. Ad esempio, un laser Nd:YAG a frequenza raddoppiata potrebbe essere utilizzato per pompare un laser a coloranti. Questo metodo viene spesso utilizzato quando sono richieste lunghezze d'onda specifiche per il processo di pompaggio, difficilmente ottenibili con le sorgenti luminose convenzionali.
Laser a stato solido pompato a diodo
Fonte di energia iniziale: Il processo inizia con un laser a diodo, che funge da sorgente di pompaggio. I laser a diodo vengono scelti per la loro efficienza, le dimensioni compatte e la capacità di emettere luce a lunghezze d'onda specifiche.
Luce della pompa:Il laser a diodo emette luce che viene assorbita dal mezzo di guadagno a stato solido. La lunghezza d'onda del laser a diodo è adattata alle caratteristiche di assorbimento del mezzo di guadagno.
Stato solidoGuadagno medio
Materiale:Il mezzo di guadagno nei laser DPSS è in genere un materiale allo stato solido come Nd:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio), Nd:YVO4 (ortovanadato di ittrio drogato con neodimio) o Yb:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato con itterbio).
Doping:Questi materiali sono drogati con ioni di terre rare (come Nd o Yb), che sono gli ioni laser attivi.
Assorbimento ed eccitazione dell'energia:Quando la luce di pompaggio del laser a diodo entra nel mezzo di guadagno, gli ioni di terre rare assorbono questa energia e vengono eccitati a stati energetici più elevati.
Inversione demografica
Raggiungere l'inversione demografica:La chiave dell'azione del laser è ottenere un'inversione di popolazione nel mezzo di guadagno. Ciò significa che più ioni si trovano nello stato eccitato rispetto allo stato fondamentale.
Emissione stimolata:Una volta ottenuta l'inversione di popolazione, l'introduzione di un fotone corrispondente alla differenza di energia tra lo stato eccitato e quello fondamentale può stimolare gli ioni eccitati a tornare allo stato fondamentale, emettendo un fotone nel processo.
Risonatore ottico
Specchi: il mezzo di guadagno è posizionato all'interno di un risonatore ottico, solitamente formato da due specchi a ciascuna estremità del mezzo.
Feedback e amplificazione: uno degli specchi è altamente riflettente e l'altro è parzialmente riflettente. I fotoni rimbalzano avanti e indietro tra questi specchi, stimolando più emissioni e amplificando la luce.
Emissione laser
Luce coerente: i fotoni emessi sono coerenti, ovvero sono in fase e hanno la stessa lunghezza d'onda.
Uscita: lo specchio parzialmente riflettente lascia passare una parte di questa luce, formando il raggio laser che esce dal laser DPSS.
Geometrie di pompaggio: pompaggio laterale vs. finale
| Metodo di pompaggio | Descrizione | Applicazioni | Vantaggi | Sfide |
|---|---|---|---|---|
| Pompaggio laterale | Luce di pompaggio introdotta perpendicolarmente al mezzo laser | Laser a barra o a fibra | Distribuzione uniforme della luce della pompa, adatta per applicazioni ad alta potenza | Distribuzione non uniforme del guadagno, qualità del fascio inferiore |
| Fine del pompaggio | Luce della pompa diretta lungo lo stesso asse del raggio laser | Laser a stato solido come Nd:YAG | Distribuzione uniforme del guadagno, qualità del fascio più elevata | Allineamento complesso, dissipazione del calore meno efficiente nei laser ad alta potenza |
Requisiti per una luce di pompaggio efficace
| Requisito | Importanza | Impatto/Equilibrio | Note aggiuntive |
|---|---|---|---|
| Idoneità dello spettro | La lunghezza d'onda deve corrispondere allo spettro di assorbimento del mezzo laser | Garantisce un assorbimento efficiente e un'inversione efficace della popolazione | - |
| Intensità | Deve essere sufficientemente alto per il livello di eccitazione desiderato | Intensità eccessivamente elevate possono causare danni termici; quelle troppo basse non produrranno l'inversione della popolazione | - |
| Qualità del raggio | Particolarmente critico nei laser a pompaggio finale | Garantisce un accoppiamento efficiente e contribuisce alla qualità del raggio laser emesso | L'elevata qualità del fascio è fondamentale per una sovrapposizione precisa della luce della pompa e del volume della modalità laser |
| Polarizzazione | Richiesto per supporti con proprietà anisotropiche | Migliora l'efficienza di assorbimento e può influenzare la polarizzazione della luce laser emessa | Potrebbe essere necessario uno stato di polarizzazione specifico |
| Intensità del rumore | I bassi livelli di rumore sono cruciali | Le fluttuazioni nell'intensità della luce della pompa possono influire sulla qualità e sulla stabilità dell'output laser | Importante per le applicazioni che richiedono elevata stabilità e precisione |
Data di pubblicazione: 01-12-2023