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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 determinando l'emissione di luce coerente. Questo processo fondamentale si è evoluto in modo significativo dall'avvento dei primi laser a metà del XX secolo.
Sebbene spesso modellato da equazioni di velocità, il pompaggio laser è fondamentalmente un processo quantistico. Coinvolge complesse interazioni tra i fotoni e la struttura atomica o molecolare del mezzo di guadagno. 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 fondamentale 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. Gli 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 pompati otticamente
1. Laser a stato solido con isolanti drogati
· Panoramica:Questi laser utilizzano un mezzo ospite elettricamente isolante e sfruttano il pompaggio ottico per eccitare gli ioni laserattivi. Un esempio comune è il neodimio nei laser YAG.
·Ricerche recenti:Uno studio di A. Antipov et al. analizza 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 a stato solido per il pompaggio ottico a scambio di spin
2. Laser a semiconduttore
·Informazioni generali: i laser a semiconduttore, solitamente pompati elettricamente, possono trarre vantaggio anche 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 pompati 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 arco: Simili alle lampade flash ma progettate per il funzionamento continuo, le lampade ad arco offrono una fonte costante di luce intensa. 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 solare: In 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, non facilmente 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 delle 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, mentre 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 del guadagno non uniforme, qualità del fascio inferiore |
| Pompaggio finale | 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 | Assicura un assorbimento efficiente e un'efficace inversione della popolazione | - |
| Intensità | Deve essere sufficientemente alto per il livello di eccitazione desiderato | Intensità troppo elevate possono causare danni termici; intensità troppo basse non produrranno l'inversione della popolazione | - |
| Qualità del raggio | Particolarmente critico nei laser pompati all'estremità | 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 applicazioni che richiedono elevata stabilità e precisione |
Data di pubblicazione: 01-12-2023