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Em essência, o bombeamento a laser é o processo de energizar um meio para atingir um estado em que ele possa emitir luz laser. Isso geralmente é feito injetando luz ou corrente elétrica no meio, excitando seus átomos e levando à emissão de luz coerente. Esse processo fundamental evoluiu significativamente desde o surgimento 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 ativo. Modelos avançados consideram fenômenos como oscilações de Rabi, que proporcionam uma compreensão mais matizada dessas interações.
O bombeamento a laser é um processo no qual energia, tipicamente na forma de luz ou corrente elétrica, é fornecida ao meio ativo 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 de população, um estado no qual mais partículas são excitadas do que em um estado de energia mais baixo, permitindo que o meio amplifique a luz por meio de emissão estimulada. O processo envolve interações quânticas complexas, frequentemente modeladas por meio de equações de taxa ou estruturas mecânicas quânticas mais avançadas. Aspectos-chave incluem a escolha da fonte de bombeamento (como diodos laser ou lâmpadas de descarga), a geometria de bombeamento (bombeamento lateral ou frontal) e a otimização das características da luz de bombeamento (espectro, intensidade, qualidade do feixe, polarização) para atender aos requisitos específicos do meio ativo. O bombeamento a laser é fundamental em vários tipos de laser, incluindo lasers de estado sólido, semicondutores e a gás, e é essencial para a operação eficiente e eficaz do laser.
Variedades de lasers bombeados opticamente
1. Lasers de estado sólido com isolantes dopados
· Visão geral:Esses lasers utilizam um meio hospedeiro eletricamente isolante e dependem do bombeamento óptico para energizar íons ativos. Um exemplo comum é o neodímio em lasers YAG.
·Pesquisas recentes:Um estudo de A. Antipov et al. discute um laser de estado sólido no infravermelho próximo para bombeamento óptico por troca de spin. Esta pesquisa destaca os avanços na tecnologia de lasers de estado sólido, particularmente no espectro do infravermelho próximo, que é crucial para aplicações como imagens médicas e telecomunicações.
Leitura complementar:Um laser de estado sólido no infravermelho próximo para bombeamento óptico por troca de spin.
2. Lasers semicondutores
·Informações gerais: Normalmente bombeados eletricamente, os lasers semicondutores também podem se beneficiar do bombeamento óptico, especialmente em aplicações que exigem alto brilho, como os lasers de emissão de superfície de cavidade externa vertical (VECSELs).
·Desenvolvimentos recentes: O trabalho de U. Keller sobre pentes de frequência óptica provenientes de lasers de estado sólido e semicondutores ultrarrápidos oferece novas perspectivas sobre a geração de pentes de frequência estáveis a partir de lasers de estado sólido e semicondutores bombeados por diodo. Esse avanço é significativo para aplicações em metrologia de frequência óptica.
Leitura complementar:Pentes de frequência óptica provenientes de lasers ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores
3. Lasers de gás
·Bombeamento óptico em lasers a gás: Certos tipos de lasers a gás, como os lasers de vapor alcalino, utilizam bombeamento óptico. Esses lasers são frequentemente usados em aplicações que requerem fontes de luz coerentes com propriedades específicas.
Fontes para bombeamento óptico
Lâmpadas de descargaComuns em lasers bombeados por lâmpadas, as lâmpadas de descarga são utilizadas devido à sua alta potência e amplo espectro. YA Mandryko et al. desenvolveram um modelo de potência para a geração de descargas de arco impulsivo em lâmpadas de xenônio com bombeamento óptico por meio ativo, utilizadas em lasers de estado sólido. Este modelo auxilia na otimização do desempenho das lâmpadas de bombeamento impulsivo, crucial para a operação eficiente do laser.
Diodos laser:Utilizados em lasers bombeados por diodo, os diodos laser oferecem vantagens como alta eficiência, tamanho compacto e a capacidade de serem ajustados com precisão.
Leitura complementar:O que é um diodo laser?
Lâmpadas de flashLâmpadas de 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. Elas fornecem um pulso de luz de alta intensidade que excita o meio laser.
Lâmpadas de arcoSemelhantes às lâmpadas de flash, mas projetadas para operação contínua, as lâmpadas de arco oferecem uma fonte constante de luz intensa. Elas são usadas em aplicações onde a operação de laser em 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 solarEm algumas configurações experimentais, a luz solar concentrada tem sido usada como fonte de bombeamento para lasers movidos a energia solar. Esse método aproveita a energia solar, tornando-a uma fonte renovável e de baixo custo, embora seja menos controlável e menos intensa em comparação com fontes de luz artificial.
Diodos laser acoplados a fibraTrata-se de diodos laser acoplados a fibras ópticas, que transmitem a luz de bombeamento de forma mais eficiente ao meio laser. Esse método é particularmente útil em lasers de fibra e em situações onde a transmissão precisa da luz de bombeamento é crucial.
Outros lasersÀs 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. Esse método é frequentemente usado quando comprimentos de onda específicos são necessários para o processo de bombeamento, os quais não são facilmente obtidos com fontes de luz convencionais.
Laser de estado sólido bombeado por diodo
Fonte de energia inicialO processo começa com um laser de diodo, que serve como fonte de bombeamento. 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 ajustado para corresponder às características de absorção do meio de ganho.
Estado sólidoGanho Médio
Material:O meio ativo em lasers DPSS é tipicamente um material de estado sólido como Nd:YAG (granada de ítrio e alumínio dopada com neodímio), Nd:YVO4 (ortovanadato de ítrio dopado com neodímio) ou Yb:YAG (granada de ítrio e alumínio dopada com itérbio).
Doping: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 de bombeamento 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
Alcançar a inversão populacional:A chave para a ação do laser é alcançar uma inversão de população no meio ativo. Isso significa que há mais íons em um estado excitado do que no estado fundamental.
Emissão Estimulada:Uma vez alcançada a inversão de 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, tipicamente formado por dois espelhos em cada extremidade do meio.
Retroalimentação e amplificação: Um dos espelhos é altamente refletor, enquanto o outro é parcialmente refletor. Os fótons ricocheteiam entre esses espelhos, estimulando mais emissões e amplificando a luz.
Emissão de laser
Luz coerente: Os fótons emitidos são coerentes, ou seja, estão em fase e têm o mesmo comprimento de onda.
Saída: O espelho parcialmente refletor permite que parte dessa luz passe, formando o feixe de laser que sai do laser DPSS.
Geometrias de bombeamento: bombeamento lateral versus bombeamento pela extremidade
| Método de bombeamento | Descrição | Aplicações | Vantagens | Desafios |
|---|---|---|---|---|
| Bombeamento lateral | Luz de bombeamento 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, menor qualidade do feixe |
| Bombeamento final | A luz de bombeamento é direcionada ao longo do mesmo eixo do feixe de laser. | Lasers de estado sólido como o Nd:YAG | Distribuição uniforme do ganho, maior qualidade do feixe | Alinhamento complexo e dissipação de calor menos eficiente em lasers de alta potência. |
Requisitos para uma bomba de luz 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 suficientemente alto para o nível de excitação desejado. | Intensidades excessivamente altas podem causar danos térmicos; intensidades muito baixas não alcançarão a inversão térmica. | - |
| Qualidade do feixe | Particularmente crítico em lasers bombeados pela extremidade. | 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 de bombeamento e do volume do modo laser. |
| Polarização | Necessário para meios com propriedades anisotrópicas | Aumenta a eficiência de absorção e pode afetar a polarização da luz laser emitida. | Um estado de polarização específico pode ser necessário. |
| Ruído de intensidade | Níveis baixos de ruído são cruciais | Flutuações na intensidade da luz de bombeamento podem afetar a qualidade e a estabilidade da saída do laser. | Importante para aplicações que exigem alta estabilidade e precisão. |
Data da publicação: 01/12/2023