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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 del sole: 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 della popolazione: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
| Requisiti | 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