Subscríbete ás nosas redes sociais para obter publicacións rápidas
Na súa esencia, o bombeo láser é o proceso de enerxizar un medio para alcanzar un estado no que poida emitir luz láser. Isto faise normalmente inxectando luz ou corrente eléctrica no medio, excitando os seus átomos e levando á emisión de luz coherente. Este proceso fundamental evolucionou significativamente desde a chegada dos primeiros láseres a mediados do século XX.
Aínda que a miúdo se modela mediante ecuacións de velocidade, o bombeo láser é fundamentalmente un proceso mecánico cuántico. Implica interaccións complexas entre fotóns e a estrutura atómica ou molecular do medio de ganancia. Os modelos avanzados consideran fenómenos como as oscilacións de Rabi, que proporcionan unha comprensión máis matizada destas interaccións.
O bombeo láser é un proceso no que se subministra enerxía, normalmente en forma de luz ou corrente eléctrica, ao medio de ganancia dun láser para elevar os seus átomos ou moléculas a estados de enerxía máis altos. Esta transferencia de enerxía é crucial para lograr a inversión da poboación, un estado no que se excitan máis partículas que nun estado de enerxía máis baixo, o que permite que o medio amplifique a luz mediante emisión estimulada. O proceso implica interaccións cuánticas complexas, a miúdo modeladas mediante ecuacións de taxa ou marcos mecánicos cuánticos máis avanzados. Os aspectos clave inclúen a elección da fonte de bombeo (como díodos láser ou lámpadas de descarga), a xeometría da bomba (bombeo lateral ou final) e a optimización das características da luz da bomba (espectro, intensidade, calidade do feixe, polarización) para que se axusten aos requisitos específicos do medio de ganancia. O bombeo láser é fundamental en varios tipos de láseres, incluídos os láseres de estado sólido, semicondutores e de gas, e é esencial para o funcionamento eficiente e eficaz do láser.
Variedades de láseres bombeados opticamente
1. Láseres de estado sólido con illantes dopados
· Visión xeral:Estes láseres empregan un medio hóspede electricamente illante e dependen do bombeo óptico para energizar os ións activos do láser. Un exemplo común é o neodimio nos láseres YAG.
·Investigacións recentes:Un estudo de A. Antipov et al. analiza un láser de estado sólido no infravermello próximo para o bombeo óptico de intercambio de espíns. Esta investigación destaca os avances na tecnoloxía láser de estado sólido, especialmente no espectro infravermello próximo, que é crucial para aplicacións como a imaxe médica e as telecomunicacións.
Lecturas adicionais:Un láser de estado sólido no infravermello próximo para bombeo óptico de intercambio de espín
2. Láseres semicondutores
·Información xeral: Normalmente bombeados electricamente, os láseres semicondutores tamén poden beneficiarse do bombeo óptico, especialmente en aplicacións que requiren un brillo elevado, como os láseres de emisión superficial de cavidade externa vertical (VECSEL).
·Desenvolvementos recentes: O traballo de U. Keller sobre peites de frecuencia ópticos de láseres ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores proporciona información sobre a xeración de peites de frecuencia estables a partir de láseres de estado sólido e semicondutores bombeados por díodos. Este avance é significativo para as aplicacións en metroloxía de frecuencia óptica.
Lecturas adicionais:Peites de frecuencia óptica de láseres ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores
3. Láseres de gas
·Bombeo óptico en láseres de gas: certos tipos de láseres de gas, como os láseres de vapor alcalino, utilizan bombeo óptico. Estes láseres úsanse a miúdo en aplicacións que requiren fontes de luz coherentes con propiedades específicas.
Fontes para o bombeo óptico
Lámpadas de descargaComúns nos láseres bombeados por lámpadas, as lámpadas de descarga utilízanse pola súa alta potencia e amplo espectro. YA Mandryko et al. desenvolveron un modelo de potencia da xeración de descarga de arco de impulso en lámpadas de xenón de bombeo óptico en medios activos de láseres de estado sólido. Este modelo axuda a optimizar o rendemento das lámpadas de bombeo de impulso, crucial para un funcionamento eficiente do láser.
díodos láser:Usados en láseres bombeados por díodos, os díodos láser ofrecen vantaxes como alta eficiencia, tamaño compacto e a capacidade de axustarse con precisión.
Lecturas adicionais:Que é un díodo láser?
Lámpadas de flashAs lámpadas flash son fontes de luz intensas de amplo espectro que se empregan habitualmente para bombear láseres de estado sólido, como os láseres de rubí ou Nd:YAG. Proporcionan unha ráfaga de luz de alta intensidade que excita o medio láser.
Lámpadas de arcoSemellantes ás lámpadas de flash pero deseñadas para un funcionamento continuo, as lámpadas de arco ofrecen unha fonte constante de luz intensa. Úsanse en aplicacións onde se require un funcionamento láser de onda continua (CW).
LED (díodos emisores de luz)Aínda que non son tan comúns como os díodos láser, os LED pódense usar para o bombeo óptico en certas aplicacións de baixa potencia. Son vantaxosos debido á súa longa vida útil, baixo custo e dispoñibilidade en varias lonxitudes de onda.
Luz solarNalgúns casos experimentais, utilizouse luz solar concentrada como fonte de bombeo para láseres bombeados con enerxía solar. Este método aproveita a enerxía solar, o que a converte nunha fonte renovable e rendible, aínda que é menos controlable e menos intensa en comparación coas fontes de luz artificial.
Diodos láser acoplados a fibraTrátase de díodos láser acoplados a fibras ópticas, que envían a luz de bombeo ao medio láser de forma máis eficiente. Este método é especialmente útil en láseres de fibra e en situacións nas que é crucial unha subministración precisa da luz de bombeo.
Outros láseresÁs veces, un láser úsase para bombear outro. Por exemplo, un láser Nd: YAG con frecuencia duplicada podería usarse para bombear un láser de colorante. Este método adoita empregarse cando se requiren lonxitudes de onda específicas para o proceso de bombeo que non se conseguen facilmente coas fontes de luz convencionais.
Láser de estado sólido bombeado por díodos
Fonte de enerxía inicialO proceso comeza cun láser de díodo, que serve como fonte de bombeo. Os láseres de díodo escóllense pola súa eficiencia, tamaño compacto e capacidade para emitir luz a lonxitudes de onda específicas.
Luz da bomba:O láser de díodo emite luz que é absorbida polo medio de ganancia de estado sólido. A lonxitude de onda do láser de díodo adáptase ás características de absorción do medio de ganancia.
Estado sólidoGanancia media
Material:O medio de ganancia nos láseres DPSS adoita ser un material de estado sólido como Nd:YAG (granate de itrio e aluminio dopado con neodimio), Nd:YVO4 (ortovanadato de itrio dopado con neodimio) ou Yb:YAG (granate de itrio e aluminio dopado con iterbio).
Dopaxe:Estes materiais están dopados con ións de terras raras (como Nd ou Yb), que son os ións láser activos.
Absorción e excitación de enerxía:Cando a luz de bombeo do láser de díodos entra no medio de ganancia, os ións de terras raras absorben esta enerxía e excítanse a estados de enerxía máis altos.
Inversión de poboación
Conseguindo a inversión da poboación:A clave da acción do láser é conseguir unha inversión de poboación no medio de ganancia. Isto significa que hai máis ións nun estado excitado que no estado fundamental.
Emisión estimulada:Unha vez conseguida a inversión da poboación, a introdución dun fotón correspondente á diferenza de enerxía entre os estados excitado e fundamental pode estimular os ións excitados a volver ao estado fundamental, emitindo un fotón no proceso.
Resonador óptico
Espellos: O medio de ganancia colócase dentro dun resonador óptico, formado normalmente por dous espellos en cada extremo do medio.
Retroalimentación e amplificación: Un dos espellos é moi reflectante e o outro é parcialmente reflectante. Os fotóns rebotan entre estes espellos, estimulando máis emisións e amplificando a luz.
Emisión láser
Luz coherente: os fotóns emitidos son coherentes, é dicir, están en fase e teñen a mesma lonxitude de onda.
Saída: O espello parcialmente reflectante permite que parte desta luz o atravese, formando o feixe láser que sae do láser DPSS.
Xeometrías de bombeo: bombeo lateral vs. bombeo final
| Método de bombeo | Descrición | Aplicacións | Vantaxes | Desafíos |
|---|---|---|---|---|
| Bombeo lateral | Luz de bombeo introducida perpendicularmente ao medio láser | Láseres de vara ou fibra | Distribución uniforme da luz da bomba, axeitada para aplicacións de alta potencia | Distribución de ganancia non uniforme, menor calidade do feixe |
| Fin do bombeo | Luz da bomba dirixida ao longo do mesmo eixo que o raio láser | Láseres de estado sólido como o Nd:YAG | Distribución uniforme da ganancia, maior calidade do feixe | Aliñamento complexo, disipación de calor menos eficiente en láseres de alta potencia |
Requisitos para unha luz de bomba eficaz
| Requisito | Importancia | Impacto/Equilibrio | Notas adicionais |
|---|---|---|---|
| Idoneidade do espectro | A lonxitude de onda debe coincidir co espectro de absorción do medio láser | Garante unha absorción eficiente e unha inversión demográfica eficaz | - |
| Intensidade | Debe ser o suficientemente alto para o nivel de excitación desexado | Intensidades demasiado altas poden causar danos térmicos; demasiado baixas non conseguirán a inversión da poboación. | - |
| Calidade do feixe | Particularmente crítico en láseres bombeados no extremo | Garante un acoplamento eficiente e contribúe á calidade do feixe láser emitido | A calidade alta do feixe é crucial para unha superposición precisa da luz da bomba e do volume do modo láser |
| Polarización | Necesario para medios con propiedades anisotrópicas | Mellora a eficiencia de absorción e pode afectar a polarización da luz láser emitida | Pode ser necesario un estado de polarización específico |
| Ruído de intensidade | Os niveis baixos de ruído son cruciais | As flutuacións na intensidade da luz da bomba poden afectar a calidade e a estabilidade da saída do láser | Importante para aplicacións que requiren alta estabilidade e precisión |
Data de publicación: 01-12-2023