Subscriu-te a les nostres xarxes socials per a publicacions ràpides
En essència, el bombament làser és el procés d'energitzar un medi per aconseguir un estat en què pugui emetre llum làser. Això es fa normalment injectant llum o corrent elèctric al medi, excitant els seus àtoms i provocant l'emissió de llum coherent. Aquest procés fonamental ha evolucionat significativament des de l'aparició dels primers làsers a mitjans del segle XX.
Tot i que sovint es modela mitjançant equacions de velocitat, el bombament làser és fonamentalment un procés de mecànica quàntica. Implica interaccions complexes entre fotons i l'estructura atòmica o molecular del medi de guany. Els models avançats consideren fenòmens com les oscil·lacions de Rabi, que proporcionen una comprensió més matisada d'aquestes interaccions.
El bombament làser és un procés en què es subministra energia, normalment en forma de llum o corrent elèctric, al medi de guany d'un làser per elevar els seus àtoms o molècules a estats d'energia més alts. Aquesta transferència d'energia és crucial per aconseguir la inversió de població, un estat en què s'exciten més partícules que en un estat d'energia més baix, permetent que el medi amplifiqui la llum mitjançant l'emissió estimulada. El procés implica interaccions quàntiques complexes, sovint modelades mitjançant equacions de velocitat o marcs de mecànica quàntica més avançats. Els aspectes clau inclouen l'elecció de la font de bombament (com ara díodes làser o làmpades de descàrrega), la geometria de la bombament (bombament lateral o final) i l'optimització de les característiques de la llum de la bombament (espectre, intensitat, qualitat del feix, polarització) per adaptar-se als requisits específics del medi de guany. El bombament làser és fonamental en diversos tipus de làser, inclosos els làsers d'estat sòlid, semiconductors i de gas, i és essencial per al funcionament eficient i eficaç del làser.
Varietats de làsers bombats òpticament
1. Làsers d'estat sòlid amb aïllants dopats
· Visió general:Aquests làsers utilitzen un medi amfitrió elèctricament aïllant i es basen en el bombament òptic per energitzar els ions actius del làser. Un exemple comú és el neodimi en els làsers YAG.
·Recerca recent:Un estudi d'A. Antipov et al. analitza un làser d'infraroig proper d'estat sòlid per al bombament òptic d'intercanvi d'espíns. Aquesta investigació destaca els avenços en la tecnologia làser d'estat sòlid, particularment en l'espectre d'infraroig proper, que és crucial per a aplicacions com la imatge mèdica i les telecomunicacions.
Lectures addicionals:Un làser d'infraroig proper d'estat sòlid per al bombament òptic d'intercanvi d'espíns
2. Làsers semiconductors
·Informació general: Normalment bombats elèctricament, els làsers semiconductors també es poden beneficiar del bombament òptic, especialment en aplicacions que requereixen una alta brillantor, com ara els làsers d'emissió superficial de cavitat externa vertical (VECSEL).
·Desenvolupaments recents: El treball d'U. Keller sobre pintes de freqüència òptiques de làsers d'estat sòlid i semiconductors ultraràpids proporciona informació sobre la generació de pintes de freqüència estables a partir de làsers d'estat sòlid i semiconductors bombats per díodes. Aquest avenç és significatiu per a aplicacions en metrologia de freqüència òptica.
Lectures addicionals:Pintes de freqüència òptica de làsers d'estat sòlid i semiconductors ultraràpids
3. Làsers de gas
·Bombament òptic en làsers de gas: certs tipus de làsers de gas, com els làsers de vapor alcalí, utilitzen el bombament òptic. Aquests làsers s'utilitzen sovint en aplicacions que requereixen fonts de llum coherents amb propietats específiques.
Fonts per al bombament òptic
Làmpades de descàrregaComuns en els làsers bombats per làmpades, els làmpades de descàrrega s'utilitzen per la seva alta potència i ampli espectre. YA Mandryko et al. van desenvolupar un model de potència de generació de descàrrega d'arc impulsiu en làmpades de xenó de bombament òptic en medis actius de làsers d'estat sòlid. Aquest model ajuda a optimitzar el rendiment de les làmpades de bombament d'impuls, crucial per a un funcionament eficient del làser.
díodes làser:Utilitzats en làsers bombats per díodes, els díodes làser ofereixen avantatges com ara una alta eficiència, una mida compacta i la capacitat de ser ajustats amb precisió.
Lectures addicionals:Què és un díode làser?
Llums de flaixLes làmpades flash són fonts de llum intenses d'ampli espectre que s'utilitzen habitualment per bombar làsers d'estat sòlid, com ara els làsers de robí o Nd:YAG. Proporcionen una ràfega de llum d'alta intensitat que excita el medi làser.
Làmpades d'arcSimilars a les làmpades de flaix però dissenyades per a un funcionament continu, les làmpades d'arc ofereixen una font constant de llum intensa. S'utilitzen en aplicacions on es requereix un funcionament làser d'ona contínua (CW).
LED (díodes emissors de llum)Tot i que no són tan comuns com els díodes làser, els LED es poden utilitzar per al bombament òptic en certes aplicacions de baixa potència. Són avantatjosos per la seva llarga vida útil, baix cost i disponibilitat en diverses longituds d'ona.
Llum solarEn algunes configuracions experimentals, s'ha utilitzat la llum solar concentrada com a font de bombament per a làsers bombats amb energia solar. Aquest mètode aprofita l'energia solar, convertint-la en una font renovable i rendible, tot i que és menys controlable i menys intensa en comparació amb les fonts de llum artificial.
díodes làser acoblats per fibraEs tracta de díodes làser acoblats a fibres òptiques, que lliuren la llum de bombament al medi làser de manera més eficient. Aquest mètode és particularment útil en làsers de fibra i en situacions on el lliurament precís de la llum de bombament és crucial.
Altres làsersDe vegades, un làser s'utilitza per bombar-ne un altre. Per exemple, es pot utilitzar un làser Nd: YAG de freqüència duplicada per bombar un làser de colorant. Aquest mètode s'utilitza sovint quan es requereixen longituds d'ona específiques per al procés de bombament que no s'aconsegueix fàcilment amb fonts de llum convencionals.
Làser d'estat sòlid bombat per díode
Font d'energia inicialEl procés comença amb un làser de díode, que serveix com a font de bombament. Els làsers de díode s'escullen per la seva eficiència, mida compacta i capacitat d'emetre llum a longituds d'ona específiques.
Llum de la bomba:El làser de díode emet llum que és absorbida pel medi de guany d'estat sòlid. La longitud d'ona del làser de díode s'adapta a les característiques d'absorció del medi de guany.
Estat sòlidGuany mitjà
Material:El medi de guany en els làsers DPSS és normalment un material d'estat sòlid com ara Nd:YAG (granat d'alumini itri dopat amb neodimi), Nd:YVO4 (ortovanadat d'itri dopat amb neodimi) o Yb:YAG (granat d'alumini itri dopat amb iterbi).
Dopatge:Aquests materials estan dopats amb ions de terres rares (com Nd o Yb), que són els ions làser actius.
Absorció i excitació d'energia:Quan la llum de bombament del làser de díode entra al medi de guany, els ions de terres rares absorbeixen aquesta energia i s'exciten a estats d'energia més alts.
Inversió de població
Aconseguint la inversió de població:La clau de l'acció del làser és aconseguir una inversió de població en el medi de guany. Això significa que hi ha més ions en estat excitat que en estat fonamental.
Emissió estimulada:Un cop s'aconsegueix la inversió de població, la introducció d'un fotó corresponent a la diferència d'energia entre els estats excitat i fonamental pot estimular els ions excitats a tornar a l'estat fonamental, emetent un fotó en el procés.
Ressonador òptic
Miralls: El medi de guany es col·loca dins d'un ressonador òptic, normalment format per dos miralls a cada extrem del medi.
Retroalimentació i amplificació: Un dels miralls és altament reflectant i l'altre és parcialment reflectant. Els fotons reboten entre aquests miralls, estimulant més emissions i amplificant la llum.
Emissió làser
Llum coherent: Els fotons que s'emeten són coherents, és a dir, estan en fase i tenen la mateixa longitud d'ona.
Sortida: El mirall parcialment reflectant permet que passi part d'aquesta llum, formant el feix làser que surt del làser DPSS.
Geometries de bombament: bombament lateral vs. bombament final
| Mètode de bombament | Descripció | Aplicacions | Avantatges | Reptes |
|---|---|---|---|---|
| Bombament lateral | Llum de bomba introduïda perpendicularment al medi làser | Làsers de vareta o fibra | Distribució uniforme de la llum de la bomba, adequada per a aplicacions d'alta potència | Distribució de guany no uniforme, qualitat de feix inferior |
| Final de bombament | Llum de la bomba dirigida al llarg del mateix eix que el feix làser | Làsers d'estat sòlid com el Nd:YAG | Distribució uniforme del guany, qualitat del feix més alta | Alineació complexa, dissipació de calor menys eficient en làsers d'alta potència |
Requisits per a una llum de bomba eficaç
| Requisit | Importància | Impacte/Equilibri | Notes addicionals |
|---|---|---|---|
| Idoneïtat de l'espectre | La longitud d'ona ha de coincidir amb l'espectre d'absorció del medi làser | Garanteix una absorció eficient i una inversió de població efectiva | - |
| Intensitat | Ha de ser prou alt per al nivell d'excitació desitjat | Intensitats massa altes poden causar danys tèrmics; massa baixes no aconseguiran la inversió de població. | - |
| Qualitat del feix | Particularment crític en làsers bombats al final | Garanteix un acoblament eficient i contribueix a la qualitat del feix làser emès | La qualitat del feix alt és crucial per a una superposició precisa de la llum de la bomba i el volum del mode làser |
| Polarització | Necessari per a medis amb propietats anisotròpiques | Millora l'eficiència d'absorció i pot afectar la polarització de la llum làser emesa | Pot ser necessari un estat de polarització específic |
| Soroll d'intensitat | Els nivells baixos de soroll són crucials | Les fluctuacions en la intensitat de la llum de la bomba poden afectar la qualitat i l'estabilitat de la sortida del làser | Important per a aplicacions que requereixen alta estabilitat i precisió |
Data de publicació: 01-12-2023