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Em sua essência, o bombeamento a laser é o processo de energizar um meio para alcançar um estado em que pode emitir luz a laser. Isso geralmente é feito pela injeção de luz ou corrente elétrica no meio, entrando em seus átomos e levando à emissão de luz coerente. Esse processo fundamental evoluiu significativamente desde o advento dos primeiros lasers em meados do século XX.
Embora frequentemente modelado por equações de taxa, o bombeamento a laser é fundamentalmente um processo mecânico quântico. Envolve interações complexas entre fótons e a estrutura atômica ou molecular do meio de ganho. Modelos avançados consideram fenômenos como oscilações Rabi, que fornecem uma compreensão mais sutil dessas interações.
O bombeamento a laser é um processo em que a energia, normalmente na forma de luz ou corrente elétrica, é fornecida ao meio de ganho de um laser para elevar seus átomos ou moléculas a estados de energia mais altos. Essa transferência de energia é crucial para alcançar a inversão da população, um estado em que mais partículas são excitadas do que em um estado de energia mais baixa, permitindo que o meio amplie a luz por emissão estimulada. O processo envolve interações quânticas complexas, geralmente modeladas por meio de equações de taxa ou estruturas mecânicas quânticas mais avançadas. Os aspectos -chave incluem a escolha da fonte da bomba (como diodos a laser ou lâmpadas de descarga), geometria da bomba (bombeamento lateral ou final) e a otimização das características da luz da bomba (espectro, intensidade, qualidade do feixe, polarização) para atender aos requisitos específicos do meio de ganho. O bombeamento a laser é fundamental em vários tipos de laser, incluindo lasers de estado sólido, semicondutor e gás, e é essencial para a operação eficiente e eficaz do laser.
Variedades de lasers opticamente bombeados
1. Lasers de estado sólido com isoladores dopados
· Visão geral:Esses lasers usam um meio de hospedeiro isolante eletricamente e dependem de bombeamento óptico para energizar íons ativos a laser. Um exemplo comum é o neodímio em lasers YAG.
·Pesquisa recente:Um estudo de A. Antipov et al. Discute um laser próximo ao IR de estado sólido para bombeamento óptico de troca de spin. Esta pesquisa destaca os avanços na tecnologia a laser de estado sólido, particularmente no espectro do infravermelho próximo, que é crucial para aplicações como imagens médicas e telecomunicações.
Leitura adicional:Um laser próximo ao IR de estado sólido para bombeamento óptico de troca de spin
2. Lasers semicondutores
·Informações gerais: Tipicamente ligados eletricamente, os lasers de semicondutores também podem se beneficiar do bombeamento óptico, especialmente em aplicações que requerem alto brilho, como lasers de emissão de superfície de cavidade externa vertical (vecsels).
·Desenvolvimentos recentes: o trabalho de U. Keller sobre pentes de frequência óptica de lasers ultra-rápidos de estado sólido e semicondutor fornece insights sobre a geração de pentes de frequência estável de lasers de estado sólido e semicondutores. Esse avanço é significativo para aplicações em metrologia de frequência óptica.
Leitura adicional:Frequência óptica Combs de lasers de estado sólido e semicondutores ultrafast
3. Lasers de gás
·Bombeamento óptico em lasers a gás: certos tipos de lasers de gás, como lasers de vapor alcalino, utilizam bombeamento óptico. Esses lasers são frequentemente usados em aplicações que exigem fontes de luz coerentes com propriedades específicas.
Fontes para bombeamento óptico
Lâmpadas de descarga: Comum em lasers bombados, lâmpadas de descarga são usadas para sua alta potência e amplo espectro. Ya Mandryko et al. Desenvolveu um modelo de potência de geração de descarga de arco de impulso em lâmpadas de xenônio de bombeamento óptico de mídia ativa de lasers de estado sólido. Este modelo ajuda a otimizar o desempenho das lâmpadas de bombeamento de impulso, cruciais para operação eficiente a laser.
Diodos a laser:Usados em lasers de diodo, os diodos a laser oferecem vantagens como alta eficiência, tamanho compacto e a capacidade de ser ajustado.
Leitura adicional:O que é um diodo a laser?
Lâmpadas flash: As lâmpadas flash são fontes intensas de luz de amplo espectro que são comumente usadas para bombear lasers de estado sólido, como lasers de rubi ou nd: yag. Eles fornecem uma explosão de luz de alta intensidade que excita o meio do laser.
Lâmpadas de arco: Semelhante às lâmpadas flash, mas projetadas para operação contínua, as lâmpadas de arco oferecem uma fonte constante de luz intensa. Eles são usados em aplicações em que é necessária operação a laser de onda contínua (CW).
LEDs (diodos emissores de luz): Embora não seja tão comum quanto os diodos a laser, os LEDs podem ser usados para bombeamento óptico em certas aplicações de baixa potência. Eles são vantajosos devido à sua longa vida, baixo custo e disponibilidade em vários comprimentos de onda.
Luz solar: Em algumas configurações experimentais, a luz solar concentrada tem sido usada como fonte de bomba para lasers de bombas solares. Esse método aproveita a energia solar, tornando-a uma fonte renovável e econômica, embora seja menos controlável e menos intensa em comparação com fontes de luz artificiais.
Diodos a laser acoplados a fibra: Estes são diodos a laser acoplados às fibras ópticas, que entregam a luz da bomba com mais eficiência ao meio do laser. Este método é particularmente útil em lasers de fibras e em situações em que a entrega precisa da luz da bomba é crucial.
Outros lasers: Às vezes, um laser é usado para bombear outro. Por exemplo, um laser de ND: YAG duplo de frequência pode ser usado para bombear um laser de corante. Esse método é frequentemente usado quando comprimentos de onda específicos são necessários para o processo de bombeamento que não é facilmente alcançado com fontes de luz convencionais.
Laser de estado sólido tomado de diodo
Fonte de energia inicial: O processo começa com um laser de diodo, que serve como fonte da bomba. Os lasers de diodo são escolhidos por sua eficiência, tamanho compacto e capacidade de emitir luz em comprimentos de onda específicos.
Luz da bomba:O laser do diodo emite luz que é absorvida pelo meio de ganho de estado sólido. O comprimento de onda do laser do diodo é adaptado para corresponder às características de absorção do meio de ganho.
Estado sólidoGanho médio
Material:O meio de ganho nos lasers DPSS é tipicamente um material de estado sólido, como ND: YAG (granada de alumínio Yttrium dopada com neodímio), ND: Yvo4 (ortovanadato de Yttrium dopado com neodímio), ou yb (ytterbium yttrio aluminumum aluminumum aluminumum.
Doping:Esses materiais são dopados com íons de terras raras (como ND ou YB), que são os íons laser ativos.
Absorção e excitação de energia:Quando a luz da bomba do laser de diodo entra no meio de ganho, os íons de terra rara absorvem essa energia e ficam empolgados com estados de energia mais altos.
Inversão populacional
Alcançando inversão populacional:A chave para a ação a laser é alcançar uma inversão populacional no meio de ganho. Isso significa que mais íons estão em um estado excitado do que no estado fundamental.
Emissão estimulada:Depois que a inversão da população é alcançada, a introdução de um fóton correspondente à diferença de energia entre os estados excitados e fundamentais pode estimular os íons excitados a retornar ao estado fundamental, emitindo um fóton no processo.
Ressonador óptico
Espelhos: O meio de ganho é colocado dentro de um ressonador óptico, normalmente formado por dois espelhos em cada extremidade do meio.
Feedback e amplificação: um dos espelhos é altamente reflexivo e o outro é parcialmente reflexivo. Os fótons saltam entre esses espelhos, estimulando mais emissões e ampliando a luz.
Emissão a laser
Luz coerente: os fótons emitidos são coerentes, o que significa que estão em fase e têm o mesmo comprimento de onda.
Saída: o espelho parcialmente reflexivo permite que parte dessa luz passe, formando o feixe de laser que sai do laser DPSS.
Geometrias de bombeamento: lado vs. bombeamento final
| Método de bombeamento | Descrição | Aplicações | Vantagens | Desafios |
|---|---|---|---|---|
| Bombeamento lateral | A luz da bomba introduzida perpendicular ao meio do laser | Lasers de haste ou fibra | Distribuição uniforme da luz da bomba, adequada para aplicações de alta potência | Distribuição de ganho não uniforme, qualidade de feixe mais baixa |
| Bombeamento final | A luz da bomba direcionada ao longo do mesmo eixo que o feixe de laser | Lasers de estado sólido como ND: YAG | Distribuição uniforme de ganho, maior qualidade do feixe | Alinhamento complexo, dissipação de calor menos eficiente em lasers de alta potência |
Requisitos para luz eficaz da bomba
| Exigência | Importância | Impacto/equilíbrio | Notas adicionais |
|---|---|---|---|
| Adequação do espectro | O comprimento de onda deve corresponder ao espectro de absorção do meio do laser | Garante absorção eficiente e inversão populacional eficaz | - |
| Intensidade | Deve ser alto o suficiente para o nível de excitação desejado | Intensidades excessivamente altas podem causar danos térmicos; Muito baixo não atingirá a inversão populacional | - |
| Qualidade do feixe | Particularmente crítico em lasers bombados | Garante acoplamento eficiente e contribui para a qualidade do feixe de laser emitido | A alta qualidade do feixe é crucial para a sobreposição precisa da luz da bomba e do volume do modo a laser |
| Polarização | Necessário para a mídia com propriedades anisotrópicas | Aumenta a eficiência da absorção e pode afetar a polarização da luz a laser emitida | Estado de polarização específico pode ser necessário |
| Ruído de intensidade | Baixos níveis de ruído são cruciais | Flutuações na intensidade da luz da bomba podem afetar a qualidade e a estabilidade da saída do laser | Importante para aplicações que requerem alta estabilidade e precisão |
Hora de postagem: dez-01-2023