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Em sua essência, o bombeamento a laser é o processo de energizar um meio para atingir um estado em que possa emitir luz laser. Isso normalmente é feito pela injeção de luz ou corrente elétrica no meio, excitando 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 de Rabi, que fornecem uma compreensão mais detalhada dessas interações.
O bombeamento a laser é um processo em que energia, tipicamente 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. Essa transferência de energia é crucial para alcançar a inversão populacional, um estado em que 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. Os principais aspectos incluem a escolha da fonte de bombeamento (como diodos laser ou lâmpadas de descarga), a geometria da bomba (bombeamento lateral ou final) e a otimização das características da luz do bombeamento (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, 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 isoladores dopados
· Visão geral:Esses lasers utilizam um meio hospedeiro eletricamente isolante e dependem de bombeamento óptico para energizar os íons ativos do laser. Um exemplo comum é o neodímio em lasers YAG.
·Pesquisa recente:Um estudo de A. Antipov et al. discute um laser de estado sólido no infravermelho próximo para bombeamento óptico de troca de spin. Esta pesquisa destaca os avanços na tecnologia de laser de estado sólido, particularmente no espectro do infravermelho próximo, crucial para aplicações como imagens médicas e telecomunicações.
Leitura adicional:Um laser infravermelho próximo de estado sólido para bombeamento óptico de 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 de lasers ultrarrápidos de estado sólido e semicondutores fornece insights sobre a geração de pentes de frequência estável 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 a Gás: Certos tipos de lasers a gás, como os lasers de vapor alcalino, utilizam bombeamento óptico. Esses lasers são frequentemente utilizados em aplicações que exigem fontes de luz coerentes com propriedades específicas.
Fontes para bombeamento óptico
Lâmpadas de descarga: Comuns em lasers bombeados por lâmpada, as lâmpadas de descarga são utilizadas por sua alta potência e amplo espectro. YA Mandryko et al. desenvolveram um modelo de potência para a geração de descargas de arco pulsado 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 pulsado, 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 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 uma rajada 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. São usadas em aplicações que exigem a operação de laser de onda contínua (CW).
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 econômica, embora seja menos controlável e menos intensa em comparação com fontes de luz artificiais.
Diodos laser acoplados a fibra: São diodos laser acoplados a fibras ópticas, que fornecem a luz bombeada com mais eficiência ao meio laser. Este método é particularmente útil em lasers de fibra e em situações em que a entrega precisa da luz bombeada é crucial.
Outros LasersÀs vezes, um laser é usado para bombear outro. Por exemplo, um laser Nd:YAG com frequência dobrada pode ser usado para bombear um laser de corante. Este método é frequentemente utilizado quando são necessários comprimentos de onda específicos 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 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 de ganho em lasers DPSS é normalmente 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).
Dopagem:Esses materiais são dopados com íons de terras raras (como Nd ou Yb), que são os íons ativos do laser.
Absorção de Energia e Excitação:Quando a luz bombeada 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 alcançar 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 populacional, 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 refletivo e o outro é parcialmente refletivo. Os fótons ricocheteiam 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. final
| Método de bombeamento | Descrição | Aplicações | 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 |
| Fim do bombeamento | Bombear 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 baixas não atingirão a inversão populacional | - |
| Qualidade do feixe | Particularmente crítico em lasers bombeados na extremidade | 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 laser |
| Polarização | Necessário para meios com propriedades anisotrópicas | Aumenta a eficiência de absorção e pode afetar a polarização da luz laser emitida | Pode ser necessário um estado de polarização específico |
| Ruído de Intensidade | Níveis baixos 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 publicação: 01/12/2023