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Nella sua essenza, il pompaggio laser è il processo di energizzazione di un mezzo per raggiungere uno stato in cui può emettere luce laser. Questo viene tipicamente fatto iniettando luce o corrente elettrica nel mezzo, eccitando i suoi atomi e portando all'emissione di luce coerente. Questo processo fondamentale si è evoluto in modo significativo dall’avvento dei primi laser a metà del XX secolo.
Anche se spesso modellato da equazioni di velocità, il pompaggio laser è fondamentalmente un processo quantomeccanico. Implica 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 sfumata di queste interazioni.
Il pompaggio laser è un processo in cui l'energia, tipicamente sotto forma di luce o corrente elettrica, viene fornita al mezzo di guadagno del laser per elevarne gli atomi o le molecole a stati energetici più elevati. Questo trasferimento di energia è fondamentale per ottenere l’inversione della popolazione, uno stato in cui vengono eccitate più particelle rispetto a uno stato energetico inferiore, consentendo al mezzo di amplificare la luce tramite un’emissione stimolata. Il processo coinvolge complesse interazioni quantistiche, spesso modellate attraverso equazioni di velocità o strutture di meccanica quantistica più avanzate. Gli aspetti chiave includono la scelta della sorgente della pompa (come diodi laser o lampade a scarica), la geometria della pompa (pompaggio laterale o finale) e l'ottimizzazione delle caratteristiche della luce della pompa (spettro, intensità, qualità del raggio, polarizzazione) per soddisfare i requisiti specifici del guadagno medio. Il pompaggio laser è fondamentale in vari tipi di laser, inclusi quelli 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 si affidano al pompaggio ottico per energizzare gli ioni attivi del laser. Un esempio comune è il neodimio nei laser YAG.
·Ricerca recente:Uno studio di A. Antipov et al. discute un laser nel vicino IR a stato solido 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, che è fondamentale per applicazioni come l’imaging medico e le telecomunicazioni.
Ulteriori letture:Un laser nel vicino infrarosso a stato solido per il pompaggio ottico a scambio di spin
2. Laser a semiconduttore
·Informazioni generali: Solitamente pompati elettricamente, i laser a semiconduttore possono trarre vantaggio anche dal pompaggio ottico, soprattutto in applicazioni che richiedono elevata luminosità, come i laser a emissione superficiale con cavità esterna verticale (VECSEL).
·Sviluppi recenti: il lavoro di U. Keller sui pettini di frequenza ottica da laser a stato solido e semiconduttori ultraveloci fornisce approfondimenti sulla generazione di pettini di frequenza stabili da laser a stato solido e semiconduttori pompati a diodi. Questo progresso è significativo per le applicazioni nella metrologia della frequenza ottica.
Ulteriori letture:Pettini di frequenza ottici da laser ultraveloci a stato solido e semiconduttori
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 con pompa a lampada, le lampade a scarica vengono utilizzate per la loro elevata potenza e l'ampio spettro. YA Mandryko et al. ha sviluppato un modello di potenza per la generazione di scariche ad arco impulsivo in lampade allo xeno con pompaggio ottico di mezzi attivi di laser a stato solido. Questo modello aiuta a ottimizzare le prestazioni delle lampade a pompaggio di impulsi, fondamentali per un funzionamento efficiente del laser.
Diodi laser:Utilizzati nei laser pompati a diodi, i diodi laser offrono vantaggi come alta efficienza, dimensioni compatte e possibilità di regolazione precisa.
Ulteriori letture:cos'è un diodo laser?
Lampade flash: Le lampade flash sono sorgenti luminose intense e 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 utilizzati in applicazioni in cui è richiesto il funzionamento del laser a onda continua (CW).
LED (diodi emettitori di luce): 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 per la loro lunga durata, basso costo e disponibilità in varie lunghezze d'onda.
Luce solare: In alcune configurazioni sperimentali, la luce solare concentrata è stata utilizzata come sorgente di pompaggio per i laser pompati ad energia solare. Questo metodo sfrutta l’energia solare, rendendola una fonte rinnovabile ed economicamente vantaggiosa, sebbene sia meno controllabile e meno intensa rispetto alle fonti di luce artificiale.
Diodi laser accoppiati a fibra: Si tratta di diodi laser accoppiati a fibre ottiche, che forniscono la luce della pompa in modo più efficiente al mezzo laser. Questo metodo è particolarmente utile nei laser a fibra e in situazioni in cui è fondamentale l'erogazione precisa della luce della pompa.
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 colorante. Questo metodo viene spesso utilizzato quando sono necessarie lunghezze d'onda specifiche per il processo di pompaggio che non sono facilmente ottenibili con le sorgenti luminose convenzionali.
Laser a stato solido pompato a diodi
Fonte di energia iniziale: Il processo inizia con un laser a diodi, che funge da sorgente della pompa. I laser a diodi sono scelti per la loro efficienza, dimensioni compatte e capacità di emettere luce a lunghezze d'onda specifiche.
Luce della pompa:Il laser a diodi emette luce che viene assorbita dal mezzo di guadagno a stato solido. La lunghezza d'onda del laser a diodi è adattata per adattarsi alle caratteristiche di assorbimento del mezzo di guadagno.
Stato solidoGuadagno medio
Materiale:Il mezzo di guadagno nei laser DPSS è tipicamente un materiale a stato solido come Nd:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio), Nd:YVO4 (ortovanadato di ittrio drogato al 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 attivi del laser.
Assorbimento ed eccitazione di energia:Quando la luce della pompa del laser a diodi entra nel mezzo di guadagno, gli ioni delle terre rare assorbono questa energia e si eccitano verso stati energetici più elevati.
Inversione di popolazione
Raggiungere l’inversione demografica:La chiave per l'azione del laser è ottenere un'inversione della popolazione nel mezzo di guadagno. Ciò significa che nello stato eccitato si trovano più ioni che nello 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, tipicamente 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, nel senso che sono in fase e hanno la stessa lunghezza d'onda.
Uscita: lo specchio parzialmente riflettente consente il passaggio di parte di questa luce, formando il raggio laser che esce dal laser DPSS.
Geometrie di pompaggio: pompaggio laterale e finale
| Metodo di pompaggio | Descrizione | Applicazioni | Vantaggi | Sfide |
|---|---|---|---|---|
| Pompaggio laterale | Luce della pompa introdotta perpendicolarmente al mezzo laser | Laser a bacchetta o fibra | Distribuzione uniforme della luce della pompa, adatta per applicazioni ad alta potenza | Distribuzione del guadagno non uniforme, qualità del raggio 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 raggio più elevata | Allineamento complesso, dissipazione del calore meno efficiente nei laser ad alta potenza |
Requisiti per un'illuminazione efficace della pompa
| 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’efficace inversione della popolazione | - |
| Intensità | Deve essere sufficientemente alto per il livello di eccitazione desiderato | Intensità eccessivamente elevate possono causare danni termici; troppo basso non porterà all’inversione della popolazione | - |
| Qualità del raggio | Particolarmente critico nei laser a pompa finale | Garantisce un accoppiamento efficiente e contribuisce alla qualità del raggio laser emesso | La qualità del fascio abbagliante è fondamentale per una sovrapposizione precisa della luce della pompa e del volume della modalità laser |
| Polarizzazione | Richiesto per mezzi con proprietà anisotrope | Migliora l'efficienza di assorbimento e può influenzare la polarizzazione della luce laser emessa | Potrebbe essere necessario uno stato di polarizzazione specifico |
| Rumore di intensità | I bassi livelli di rumore sono cruciali | Le fluttuazioni nell'intensità della luce della pompa possono influire sulla qualità e sulla stabilità dell'output del laser | Importante per applicazioni che richiedono elevata stabilità e precisione |
Orario di pubblicazione: 01-dic-2023