Subscríbete ás nosas redes sociais para obter unha publicación rápida
Na súa esencia, o bombeo con láser é o proceso de energizar un medio para acadar un estado no que pode emitir luz láser. Normalmente, isto faise inxectando luz ou corrente eléctrica no medio, excitando os seus átomos e provocando a emisión de luz coherente. Este proceso fundamental evolucionou significativamente desde a aparición dos primeiros láseres a mediados do século XX.
Aínda que moitas veces se modela mediante ecuacións de velocidade, o bombeo con láser é fundamentalmente un proceso de mecánica cuántica. Implica interaccións intrincadas 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 con láser é un proceso no que a enerxía, normalmente en forma de luz ou corrente eléctrica, é subministrada ao medio de ganancia dun láser para elevar os seus átomos ou moléculas a estados de enerxía máis elevados. 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 inferior, o que permite ao medio amplificar a luz mediante a emisión estimulada. O proceso implica interaccións cuánticas intrincadas, moitas veces modeladas a través de ecuacións de velocidade ou marcos de mecánica cuántica máis avanzadas. Os aspectos clave inclúen a elección da fonte da bomba (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 coincidan cos requisitos específicos da gaña medio. O bombeo con láser é fundamental en varios tipos de láser, incluíndo láseres de estado sólido, semicondutores e de gas, e é esencial para o funcionamento eficiente e eficaz do láser.
Variedades de láseres de bombeo óptico
1. Láseres de estado sólido con illantes dopados
· Visión xeral:Estes láseres usan un medio hóspede illante eléctrico e dependen do bombeo óptico para energizar os ións activos do láser. Un exemplo común é o neodimio nos láseres YAG.
·Investigación recente:Un estudo de A. Antipov et al. discute un láser de estado sólido preto de IR para o bombeo óptico de intercambio de espín. Esta investigación destaca os avances na tecnoloxía láser de estado sólido, especialmente no espectro do infravermello próximo, que é crucial para aplicacións como a imaxe médica e as telecomunicacións.
Lecturas complementarias:Un láser de estado sólido preto de IR para o bombeo óptico de intercambio de giro
2. Láseres semicondutores
·Información xeral: normalmente bombeados eléctricamente, os láseres de semicondutores tamén poden beneficiarse do bombeo óptico, especialmente en aplicacións que requiren un alto brillo, como os láseres de emisión de superficie de cavidade externa vertical (VECSEL).
·Desenvolvementos recentes: o traballo de U. Keller sobre peites de frecuencia óptica de láseres ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores proporciona información sobre a xeración de peites de frecuencia estable a partir de láseres de estado sólido e semicondutores bombeados por díodos. Este avance é significativo para aplicacións en metroloxía de frecuencia óptica.
Lecturas complementarias: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 o bombeo óptico. Estes láseres úsanse a miúdo en aplicacións que requiren fontes de luz coherentes con propiedades específicas.
Fontes de bombeo óptico
Lámpadas de descarga: Común nos láseres bombeados con lámpadas, as lámpadas de descarga utilízanse pola súa alta potencia e o seu amplo espectro. YA Mandryko et al. desenvolveu un modelo de potencia de xeración de descarga de arco de impulso en lámpadas de xenón de bombeo óptico de medios activos de láseres de estado sólido. Este modelo axuda a optimizar o rendemento das lámpadas de bombeo de impulso, fundamental para un funcionamento eficiente do láser.
Diodos láser:Usados en láseres bombeados con díodos, os díodos láser ofrecen vantaxes como a alta eficiencia, o tamaño compacto e a capacidade de ser sintonizados con precisión.
Máis lecturas:que é un diodo láser?
Lámpadas de flash: As lámpadas de flash son fontes de luz intensas de amplo espectro que se usan habitualmente para bombear láseres de estado sólido, como os láseres de rubí ou Nd:YAG. Proporcionan unha explosión de luz de alta intensidade que excita o medio láser.
Lámpadas de arco: Similares ás lámpadas de flash pero deseñadas para un funcionamento continuo, as lámpadas de arco ofrecen unha fonte constante de luz intensa. Utilízanse en aplicacións nas que se require a operación con láser de onda continua (CW).
LED (diodos emisores de luz): Aínda que non son tan comúns como os díodos láser, os LED pódense usar para o bombeo óptico en determinadas aplicacións de baixa potencia. Son vantaxosos pola súa longa vida útil, baixo custo e dispoñibilidade en varias lonxitudes de onda.
Luz solar: Nalgunhas configuracións experimentais, utilizouse a luz solar concentrada como fonte de bombeo para láseres bombeados con luz solar. Este método aproveita a enerxía solar, converténdoa nunha fonte renovable e rendible, aínda que é menos controlable e menos intensa en comparación coas fontes de luz artificial.
Diodos láser acoplados a fibra: Son díodos láser acoplados a fibras ópticas, que entregan a luz da bomba de forma máis eficiente ao medio láser. Este método é particularmente útil en láseres de fibra e en situacións nas que a entrega precisa da luz da bomba é crucial.
Outros láseres: Ás veces, un láser úsase para bombear outro. Por exemplo, un láser Nd: YAG con frecuencia duplicada pode usarse para bombear un láser de colorante. Este método úsase a miúdo 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 diodo
Fonte de enerxía inicial: O proceso comeza cun láser de diodo, que serve como fonte da bomba. Os láseres de diodo escóllense pola súa eficiencia, tamaño compacto e capacidade de emitir luz a lonxitudes de onda específicas.
Luz da bomba:O láser de diodo emite luz que é absorbida polo medio de ganancia de estado sólido. A lonxitude de onda do láser de díodo está adaptada para coincidir coas características de absorción do medio de ganancia.
Estado sólidoGanancia Medio
Material:O medio de ganancia nos láseres DPSS é normalmente un material de estado sólido como Nd:YAG (granate de itrio aluminio dopado con neodimio), Nd:YVO4 (ortovanadato de itrio dopado con neodimio) ou Yb:YAG (granate de itrio 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 da bomba do láser de diodo entra no medio de ganancia, os ións de terras raras absorben esta enerxía e excitan a estados de enerxía máis elevados.
Inversión de poboación
Lograr a inversión da poboación:A clave da acción do láser é conseguir unha inversión da 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 excitados e fundamentais pode estimular os ións excitados para que volvan ao estado fundamental, emitindo un fotón no proceso.
Resonador óptico
Espellos: o medio de ganancia colócase dentro dun resonador óptico, normalmente formado por dous espellos en cada extremo do medio.
Retroalimentación e amplificación: un dos espellos é altamente reflectivo e o outro é parcialmente reflexivo. Os fotóns rebotan entre estes espellos, estimulando máis emisións e amplificando a luz.
Emisión láser
Luz coherente: os fotóns que se emiten son coherentes, é dicir, están en fase e teñen a mesma lonxitude de onda.
Saída: o espello parcialmente reflector permite que parte desta luz pase, formando o raio láser que sae do láser DPSS.
Xeometrías de bombeo: bombeo lateral vs
| Método de bombeo | Descrición | Aplicacións | Vantaxes | Retos |
|---|---|---|---|---|
| Bombeo Lateral | Bomba de luz introducida perpendicularmente ao medio láser | Láseres de varilla ou fibra | Distribución uniforme da luz da bomba, adecuada para aplicacións de alta potencia | Distribución de ganancia non uniforme, calidade do feixe inferior |
| Finalizar o bombeo | Bomba de luz dirixida ao longo do mesmo eixe que o raio láser | Láseres de estado sólido como Nd:YAG | Distribución uniforme da ganancia, maior calidade do feixe | Aliñación complexa, disipación de calor menos eficiente en láseres de alta potencia |
Requisitos para a luz da bomba eficaz
| Requisito | Importancia | Impacto/Equilibrio | Notas adicionais |
|---|---|---|---|
| Adecuación do espectro | A lonxitude de onda debe coincidir co espectro de absorción do medio láser | Asegura unha absorción eficiente e unha inversión efectiva da poboación | - |
| Intensidade | Debe ser o suficientemente alto para o nivel de excitación desexado | As intensidades excesivamente altas poden causar danos térmicos; demasiado baixo non logrará a inversión da poboación | - |
| Calidade do feixe | Particularmente crítico nos láseres de bombeo final | Asegura un acoplamento eficiente e contribúe á calidade do raio láser emitido | A alta calidade do feixe é crucial para a superposición precisa da luz da bomba e o 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 baixos niveis de ruído son fundamentais | As flutuacións na intensidade da luz da bomba poden afectar a calidade e estabilidade da saída do láser | Importante para aplicacións que requiren alta estabilidade e precisión |
Hora de publicación: Dec-01-2023