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Alla sua essenza, il pompaggio laser è il processo di energia un mezzo per ottenere uno stato in cui può emettere luce laser. Questo viene in genere 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.
Sebbene spesso modellati da equazioni di velocità, il pompaggio laser è fondamentalmente un processo meccanico quantistico. Implica interazioni intricate tra fotoni e 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, in genere sotto forma di luce o corrente elettrica, viene fornita a un mezzo di guadagno laser per elevare i suoi atomi o molecole a stati energetici più elevati. Questo trasferimento di energia è cruciale per raggiungere l'inversione della popolazione, uno stato in cui sono eccitati più particelle che in uno stato di energia inferiore, consentendo al mezzo di amplificare la luce attraverso l'emissione stimolata. Il processo prevede interazioni quantistiche intricate, spesso modellate attraverso equazioni di velocità o framework meccanici quantistici più avanzati. Gli aspetti chiave includono la scelta della sorgente della pompa (come i diodi laser o le lampade di scarico), la geometria della pompa (pompaggio laterale o finale) e l'ottimizzazione delle caratteristiche della luce della pompa (spettro, intensità, qualità del raggio, polarizzazione) per abbinare i requisiti specifici del mezzo di guadagno. Il pompaggio laser è fondamentale in vari tipi di laser, tra cui laser a stato solido, semiconduttore e 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 usano un mezzo host isolante elettricamente e si basano sul pompaggio ottico per energizzare ioni laser-attivi. Un esempio comune è il neodimio nei laser YAG.
·Ricerche recenti:Uno studio di A. Antipov et al. Discute un laser vicino a stato solido per il pompaggio ottico a scambio di spin. Questa ricerca evidenzia i progressi della tecnologia laser a stato solido, in particolare nello spettro del vicino infrarosso, che è cruciale per applicazioni come l'imaging medico e le telecomunicazioni.
Ulteriori letture:Un laser vicino a stato solido per il pompaggio ottico a scambio spin
2. Laser a semiconduttore
·Informazioni generali: i laser a semiconduttore in genere pompati elettricamente possono anche beneficiare del pompaggio ottico, in particolare nelle applicazioni che richiedono un'elevata luminosità, come i laser emessi alla superficie della cavità esterna verticale (VECSEL).
·Recenti sviluppi: il lavoro di U. Keller sui pettini di frequenza ottica da laser a stato solido e semiconduttore ultraveloce fornisce approfondimenti sulla generazione di pettini di frequenza stabili da laser a stato solido e semiconduttore a stato di diodi. Questo progresso è significativo per le applicazioni nella metrologia di frequenza ottica.
Ulteriori letture:Pettini di frequenza ottica da laser a stato solido ultravelido e semiconduttori
3. Laser a gas
·Pompaggio ottico nei laser a gas: alcuni tipi di laser a gas, come i laser al vapore alcali, utilizzano il pompaggio ottico. Questi laser sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono fonti di luce coerenti con proprietà specifiche.
Fonti per il pompaggio ottico
Lampade di scarico: Comune nei laser a pompa, le lampade di scarico vengono utilizzate per la loro alta potenza e ampio spettro. Ya Mandryko et al. ha sviluppato un modello di alimentazione della generazione di scarico ad arco di impulso in supporti attivo di pompaggio ottico di laser a stato solido. Questo modello aiuta a ottimizzare le prestazioni delle lampade di pompaggio d'impulso, cruciali per un efficiente funzionamento laser.
Diodi laser:Utilizzati nei laser a pompa dei diodi, i diodi laser offrono vantaggi come l'alta efficienza, le dimensioni compatte e la capacità di essere sintonizzati finemente.
Ulteriori letture:Cos'è un diodo laser?
Lampade flash: Le lampade flash sono fonti di luce ad ampio spettro intense che sono comunemente utilizzate per pompare laser a stato solido, come i laser Ruby o ND: YAG. Forniscono uno scoppio di luce ad alta intensità che ecciti il mezzo laser.
Lampade ad arco: Simile 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 laser a onda continua (CW).
LED (diodi che emettono luce): Sebbene non così 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 vita, a basso costo e disponibilità in varie lunghezze d'onda.
Luce solare: In alcune configurazioni sperimentali, la luce solare concentrata è stata utilizzata come fonte di pompa per laser a pompa solare. Questo metodo sfrutta l'energia solare, rendendolo una fonte rinnovabile ed economica, sebbene sia meno controllabile e meno intenso rispetto alle fonti di luce artificiale.
Diodi laser accoppiati in fibra: Questi sono diodi laser accoppiati alle fibre ottiche, che forniscono la luce della pompa in modo più efficiente al mezzo laser. Questo metodo è particolarmente utile nei laser in fibra e nelle situazioni in cui è cruciale la consegna precisa della luce della pompa.
Altri laser: A volte, un laser viene utilizzato per pompare un altro. Ad esempio, un laser ND: YAG raddoppiato in frequenza potrebbe essere usato 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 si ottiene facilmente con sorgenti di luce convenzionali.
Laser a stato solido a pompa di diodi
Fonte di energia iniziale: Il processo inizia con un laser a diodi, che funge da sorgente della pompa. I laser di diodi sono scelti per la loro efficienza, dimensioni compatte e capacità di emettere luce a lunghezze d'onda specifiche.
Luce della pompa:Il laser del diodo emette luce assorbita dal mezzo di guadagno a stato solido. La lunghezza d'onda del laser del diodo è su misura per abbinare le caratteristiche di assorbimento del mezzo di guadagno.
Stato solidoGuadagnare medio
Materiale:Il mezzo di guadagno nei laser DPSS è in genere un materiale a stato solido come ND: YAG (granato in alluminio yttio drogato in neodimio), ND: YVO4 (orthovanadate yttio-drogato di neodimio) o yb: yg (yagum-dopium a alluminio ttiorum garnet).
Doping:Questi materiali sono drogati con ioni terrestre rari (come ND o YB), che sono gli ioni laser attivi.
Assorbimento di energia ed eccitazione:Quando la luce della pompa dal laser del diodo entra nel mezzo di guadagno, gli ioni della terra rara assorbono questa energia e si emozionano a stati energetici più elevati.
Inversione della popolazione
Raggiungere l'inversione della popolazione:La chiave per l'azione laser è il raggiungimento di un'inversione della popolazione nel mezzo di guadagno. Ciò significa che più ioni sono in uno stato eccitato che nello stato fondamentale.
Emissione stimolata:Una volta raggiunta l'inversione della popolazione, l'introduzione di un fotone corrispondente alla differenza di energia tra gli stati eccitati e di terra può stimolare gli ioni eccitati a tornare allo stato fondamentale, emettendo un fotone nel processo.
Risonatore ottico
Specchi: il mezzo di guadagno viene posizionato all'interno di un risonatore ottico, tipicamente formato da due specchi su 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, il che significa che sono in fase e hanno la stessa lunghezza d'onda.
Output: lo specchio parzialmente riflettente consente di passare una parte di questa luce, formando il raggio laser che esce dal laser DPSS.
Geometrie di pompaggio: pompaggio laterale vs.
| Metodo di pompaggio | Descrizione | Applicazioni | Vantaggi | Sfide |
|---|---|---|---|---|
| Pompaggio laterale | Luce pompa introdotta perpendicolare al mezzo laser | Laser a canna o in fibra | Distribuzione uniforme della luce della pompa, adatta per applicazioni ad alta potenza | Distribuzione del guadagno non uniforme, qualità del raggio inferiore |
| Pompare finale | Luce della pompa diretta lungo lo stesso asse del raggio laser | Laser a stato solido come ND: YAG | Distribuzione del guadagno uniforme, qualità del raggio più elevato | Allineamento complesso, dissipazione del calore meno efficiente nei laser ad alta potenza |
Requisiti per un'efficace luce della pompa
| Requisito | Importanza | Impatto/equilibrio | Note aggiuntive |
|---|---|---|---|
| Idoneità dello spettro | La lunghezza d'onda deve abbinare lo spettro di assorbimento del mezzo laser | Garantisce un assorbimento efficiente e un'efficace inversione della popolazione | - |
| Intensità | Deve essere abbastanza alto per il livello di eccitazione desiderato | Intensità eccessivamente elevate possono causare danni termici; Troppo basso non raggiungerà l'inversione della popolazione | - |
| Qualità del raggio | Particolarmente critico nei laser a pompa end | Garantisce un accoppiamento efficiente e contribuisce a una qualità del raggio laser emesso | L'alta qualità del raggio è cruciale per una precisa sovrapposizione della luce della pompa e del volume della modalità laser |
| Polarizzazione | Richiesto per i media con proprietà anisotropiche | Migliora l'efficienza di assorbimento e può influire sulla polarizzazione della luce laser emessa | Potrebbe essere necessario uno stato di polarizzazione specifico |
| Rumore di intensità | Bassi livelli di rumore sono cruciali | Le fluttuazioni nell'intensità della luce della pompa possono influire sulla qualità e stabilità dell'uscita laser | Importante per le applicazioni che richiedono elevata stabilità e precisione |
Tempo post: DEC-01-2023