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Em sua essência, o bombeamento a laser é o processo de energizar um meio para atingir um estado em que ele possa emitir luz laser. Isso normalmente é feito injetando luz ou corrente elétrica no meio, excitando seus átomos e levando à emissão de luz coerente. Este processo fundamental evoluiu significativamente desde o advento dos primeiros lasers em meados do século XX.
Embora muitas vezes modelado por equações de taxa, o bombeamento a laser é fundamentalmente um processo de mecânica quântica. Envolve interações intrincadas entre os fótons e a estrutura atômica ou molecular do meio de ganho. Modelos avançados consideram fenômenos como as oscilações de Rabi, que fornecem uma compreensão mais detalhada 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 elevados. Esta transferência de energia é crucial para alcançar a inversão populacional, um estado onde mais partículas são excitadas do que num estado de energia mais baixo, permitindo ao meio amplificar a luz através da emissão estimulada. O processo envolve interações quânticas complexas, muitas vezes modeladas através de equações de taxas ou estruturas de mecânica quântica mais avançadas. Os principais aspectos incluem a escolha da fonte da bomba (como diodos laser ou lâmpadas de descarga), a 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 ganhar médio. O bombeamento de laser é fundamental em vários tipos de laser, incluindo lasers de estado sólido, semicondutores e de gás, e é essencial para a operação eficiente e eficaz do laser.
Variedades de lasers bombeados opticamente
1. Lasers de estado sólido com isoladores dopados
· Visão geral:Esses lasers usam um meio hospedeiro eletricamente isolante 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 infravermelho próximo de estado sólido para bombeamento óptico de troca de spin. Esta pesquisa destaca os avanços na tecnologia laser de estado sólido, particularmente no espectro do infravermelho próximo, que é crucial para aplicações como imagens médicas e telecomunicações.
Leitura adicional:Um laser infravermelho próximo de estado sólido para bombeamento óptico Spin-Exchange
2. Lasers semicondutores
·Informações gerais: Normalmente, os lasers semicondutores bombeados eletricamente também podem se beneficiar do bombeamento óptico, especialmente em aplicações que exigem alto brilho, como lasers emissores de superfície de cavidade externa vertical (VECSELs).
·Desenvolvimentos recentes: O trabalho de U. Keller em pentes de frequência óptica de lasers ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores fornece insights sobre a geração de pentes de frequência estáveis a partir de lasers de estado sólido e semicondutores bombeados por diodo. Este avanço é significativo para aplicações em metrologia de frequência óptica.
Leitura adicional:Pentes de frequência óptica de lasers ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores
3. Lasers de gás
·Bombeamento óptico em lasers de 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: Comuns em lasers bombeados por lâmpadas, as lâmpadas de descarga são usadas por 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 meio ativo de lasers de estado sólido. Este modelo ajuda a otimizar o desempenho das lâmpadas de bombeamento de impulso, crucial para a operação eficiente do laser.
Diodos Laser:Usados em lasers bombeados por diodo, os diodos laser oferecem vantagens como alta eficiência, tamanho compacto e capacidade de ajuste fino.
Leitura adicional:o que é um diodo laser?
Lâmpadas Flash: As lâmpadas flash são fontes de luz intensas e de amplo espectro, 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 laser.
Lâmpadas de arco: semelhantes às lâmpadas de flash, mas projetadas para operação contínua, as lâmpadas de arco oferecem uma fonte constante de luz intensa. Eles são usados em aplicações onde a operação do laser de onda contínua (CW) é necessária.
LEDs (diodos emissores de luz): Embora não sejam tão comuns quanto os diodos laser, os LEDs podem ser usados para bombeamento óptico em certas aplicações de baixa potência. Eles são vantajosos devido à sua longa vida útil, 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 bombeamento para lasers bombeados por energia solar. Este método aproveita a energia solar, tornando-a uma fonte renovável e econômica, embora seja menos controlável e menos intensa em comparação com as fontes de luz artificial.
Diodos laser acoplados a fibra: São diodos laser acoplados a fibras ópticas, que entregam a luz da bomba de forma mais eficiente ao meio laser. Este método é particularmente útil em lasers de fibra e em situações onde o fornecimento preciso da luz da bomba é crucial.
Outros lasers: Às vezes, um laser é usado para bombear outro. Por exemplo, um laser Nd:YAG com frequência duplicada pode ser usado para bombear um laser de corante. Este método é frequentemente usado quando comprimentos de onda específicos são necessários para o processo de bombeamento, o que não é facilmente alcançado com fontes de luz convencionais.
Laser de estado sólido bombeado por 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 de diodo emite luz que é absorvida pelo meio de ganho de estado sólido. O comprimento de onda do laser de diodo é adaptado para corresponder às características de absorção do meio de ganho.
Estado sólidoGanho Médio
Material:O meio de ganho em lasers DPSS é normalmente um material de estado sólido como Nd:YAG (granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio), Nd:YVO4 (ortovanadato de ítrio dopado com neodímio) ou Yb:YAG (granada de ítrio-alumínio dopada com itérbio).
Dopagem:Esses materiais são dopados com íons de terras raras (como Nd ou Yb), que são os íons ativos do laser.
Absorção e excitação de energia:Quando a luz da bomba do laser de diodo entra no meio de ganho, os íons de terras raras absorvem essa energia e são excitados para estados de energia mais elevados.
Inversão Populacional
Alcançando a Inversão Populacional:A chave para a ação do laser é conseguir uma inversão populacional no meio de ganho. Isso significa que mais íons estão no estado excitado do que no estado fundamental.
Emissão Estimulada:Uma vez alcançada a inversão da população, a introdução de um fóton correspondente à diferença de energia entre os estados excitado e fundamental pode estimular os íons excitados a retornarem 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 para frente e para trás entre esses espelhos, estimulando mais emissões e amplificando a luz.
Emissão de 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: bombeamento lateral vs. bombeamento final
| Método de bombeamento | Descrição | Aplicativos | Vantagens | Desafios |
|---|---|---|---|---|
| Bombeamento lateral | Luz da bomba introduzida perpendicularmente ao meio 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 inferior |
| Finalizar bombeamento | Bombeia luz direcionada ao longo do mesmo eixo do feixe de laser | Lasers de estado sólido como Nd:YAG | Distribuição uniforme de ganho, maior qualidade de feixe | Alinhamento complexo, dissipação de calor menos eficiente em lasers de alta potência |
Requisitos para uma luz de bomba eficaz
| Exigência | Importância | Impacto/Equilíbrio | Notas Adicionais |
|---|---|---|---|
| Adequação do Espectro | O comprimento de onda deve corresponder ao espectro de absorção do meio 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 alcançará a inversão populacional | - |
| Qualidade do feixe | Particularmente crítico em lasers com bombeamento final | Garante um 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 laser |
| Polarização | Necessário para meios com propriedades anisotrópicas | Melhora a eficiência de absorção e pode afetar a polarização da luz 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 exigem alta estabilidade e precisão |
Horário da postagem: 01/12/2023