Prenumeruokite mūsų socialinius tinklus, kad gautumėte skubius įrašus
Iš esmės lazerinis kaupinimas yra terpės įjungimo į energiją procesas, kurio metu ji gali skleisti lazerio šviesą. Paprastai tai atliekama į terpę įpurškiant šviesą arba elektros srovę, sužadinant jos atomus ir išspinduliuojant koherentinę šviesą. Šis pamatinis procesas labai pasikeitė nuo pirmųjų lazerių atsiradimo XX amžiaus viduryje.
Nors lazerinis kaupinimas dažnai modeliuojamas greičio lygtimis, iš esmės tai yra kvantinės mechanikos procesas. Jis apima sudėtingas fotonų ir stiprinimo terpės atominės arba molekulinės struktūros sąveikas. Pažangesniuose modeliuose atsižvelgiama į tokius reiškinius kaip Rabi svyravimai, kurie suteikia išsamesnį šių sąveikų supratimą.
Lazerinis kaupinimas yra procesas, kurio metu energija, paprastai šviesos arba elektros srovės pavidalu, tiekiama į lazerio stiprinimo terpę, kad jos atomai ar molekulės pakiltų į aukštesnes energijos būsenas. Šis energijos perdavimas yra labai svarbus norint pasiekti populiacijos inversiją – būseną, kai sužadinama daugiau dalelių nei žemesnės energijos būsenoje, todėl terpė gali sustiprinti šviesą stimuliuojamos emisijos būdu. Procesas apima sudėtingas kvantines sąveikas, dažnai modeliuojamas naudojant greičio lygtis arba pažangesnes kvantinės mechanikos sistemas. Pagrindiniai aspektai yra kaupinimo šaltinio pasirinkimas (pvz., lazeriniai diodai arba išlydžio lempos), kaupinimo geometrija (šoninis arba galinis kaupinimas) ir kaupinimo šviesos charakteristikų (spektro, intensyvumo, spindulio kokybės, poliarizacijos) optimizavimas, kad atitiktų konkrečius stiprinimo terpės reikalavimus. Lazerinis kaupinimas yra esminis įvairių tipų lazeriuose, įskaitant kietojo kūno, puslaidininkinius ir dujų lazerius, ir yra būtinas efektyviam ir veiksmingam lazerio veikimui.
Optiškai kaupinamų lazerių įvairovė
1. Kietojo kūno lazeriai su legiruotais izoliatoriais
· Apžvalga:Šie lazeriai naudoja elektrai izoliuojančią pagrindinę terpę ir pasikliauja optiniu pumpavimu, kad įjungtų lazerio aktyvius jonus. Dažnas pavyzdys yra neodimis YAG lazeriuose.
·Naujausi tyrimai:A. Antipovo ir kt. tyrime aptariamas kietojo kūno artimojo infraraudonojo spektro lazeris, skirtas sukinių mainų optiniam pumpavimui. Šiame tyrime pabrėžiama kietojo kūno lazerių technologijos pažanga, ypač artimojo infraraudonojo spektro srityje, kuri yra labai svarbi tokioms sritims kaip medicininis vaizdavimas ir telekomunikacijos.
Papildoma literatūra:Kietojo kūno artimojo IR lazeris sukinių mainų optiniam pumpavimui
2. Puslaidininkiniai lazeriai
·Bendroji informacija: Paprastai elektra kaupinami puslaidininkiniai lazeriai taip pat gali būti naudingi optiniu kaupinimu, ypač tais atvejais, kai reikalingas didelis ryškumas, pavyzdžiui, vertikaliuose išorinės ertmės paviršinio spinduliavimo lazeriuose (VECSEL).
·Naujausi pokyčiai: U. Kellerio darbas, susijęs su itin greitų kietojo kūno ir puslaidininkinių lazerių optinėmis dažnio šukomis, suteikia įžvalgų apie stabilių dažnio šukų generavimą iš diodiniu kaupinamu kietojo kūno ir puslaidininkinių lazerių. Ši pažanga yra reikšminga optinės dažnio metrologijos taikymams.
Papildoma literatūra:Optiniai dažnio šukos iš itin greitų kietojo kūno ir puslaidininkinių lazerių
3. Dujų lazeriai
·Optinis kaupinimas dujų lazeriuose: tam tikrų tipų dujų lazeriai, pavyzdžiui, šarmų garų lazeriai, naudoja optinį kaupinimą. Šie lazeriai dažnai naudojami tais atvejais, kai reikalingi koherentiniai šviesos šaltiniai su specifinėmis savybėmis.
Optinio pumpavimo šaltiniai
Išlydžio lemposIšlydžio lempos, būdingos lazeriams su kaupinimu, naudojamos dėl didelės galios ir plataus spektro. YA Mandryko ir kt. sukūrė impulsinio lanko išlydžio generavimo galios modelį kietojo kūno lazerių aktyviosios terpės optinio kaupinimo ksenono lempose. Šis modelis padeda optimizuoti impulsinio kaupimo lempų veikimą, kuris yra labai svarbus efektyviam lazerio veikimui.
Lazeriniai diodai:Diodiniais kaupinamais lazeriais naudojami lazeriniai diodai pasižymi tokiais privalumais kaip didelis efektyvumas, kompaktiškas dydis ir galimybė tiksliai suderinti.
Papildoma literatūra:Kas yra lazerinis diodas?
Blykstės lemposBlykstės lempos yra intensyvūs, plataus spektro šviesos šaltiniai, dažniausiai naudojami kietojo kūno lazeriams, pavyzdžiui, rubino arba Nd:YAG lazeriams, sužadinti. Jos skleidžia didelio intensyvumo šviesos pliūpsnį, kuris sužadina lazerio terpę.
Lankinės lemposLankinės lempos, panašios į blykstės lempas, bet skirtos nuolatiniam veikimui, suteikia nuolatinį intensyvios šviesos šaltinį. Jos naudojamos ten, kur reikalingas nuolatinės bangos (CW) lazerio veikimas.
Šviesos diodai (LED)Nors šviesos diodai nėra tokie įprasti kaip lazeriniai diodai, jie gali būti naudojami optiniam kaupinimui tam tikrose mažos galios srityse. Jie pranašūs dėl ilgo tarnavimo laiko, mažos kainos ir prieinamumo įvairiuose bangos ilgiuose.
Saulės šviesaKai kuriuose eksperimentiniuose įrenginiuose koncentruota saulės šviesa buvo naudojama kaip saulės energija kaupinamų lazerių siurblio šaltinis. Šis metodas panaudoja saulės energiją, todėl tai yra atsinaujinantis ir ekonomiškas šaltinis, nors, palyginti su dirbtiniais šviesos šaltiniais, jis yra mažiau kontroliuojamas ir mažiau intensyvus.
Skaiduliniai lazeriniai diodaiTai lazeriniai diodai, sujungti su optiniais pluoštais, kurie efektyviau tiekia kaupinimo šviesą į lazerio terpę. Šis metodas ypač naudingas pluošto lazeriuose ir situacijose, kai labai svarbus tikslus kaupinimo šviesos tiekimas.
Kiti lazeriaiKartais vienas lazeris naudojamas kitam kaupinti. Pavyzdžiui, dažų lazeriui kaupinti gali būti naudojamas dvigubo dažnio Nd:YAG lazeris. Šis metodas dažnai naudojamas, kai kaupimo procesui reikalingi specifiniai bangos ilgiai, kurių nėra lengva pasiekti naudojant įprastus šviesos šaltinius.
Diodų kaupinamas kietojo kūno lazeris
Pradinis energijos šaltinisProcesas pradedamas diodiniu lazeriu, kuris veikia kaip siurblio šaltinis. Diodiniai lazeriai parenkami dėl jų efektyvumo, kompaktiško dydžio ir gebėjimo skleisti šviesą tam tikru bangos ilgiu.
Siurblio lemputė:Diodinis lazeris skleidžia šviesą, kurią sugeria kietojo kūno stiprinimo terpė. Diodinio lazerio bangos ilgis pritaikomas prie stiprinimo terpės sugerties charakteristikų.
Kietojo kūnoVidutinis pelnas
Medžiaga:DPSS lazerių stiprinimo terpė paprastai yra kietojo kūno medžiaga, pvz., Nd:YAG (neodimiu legiruotas itrio aliuminio granatas), Nd:YVO4 (neodimiu legiruotas itrio ortovanadatas) arba Yb:YAG (iterbiu legiruotas itrio aliuminio granatas).
Dopingas:Šios medžiagos yra legiruotos retųjų žemių jonais (pvz., Nd arba Yb), kurie yra aktyvūs lazerio jonai.
Energijos absorbcija ir sužadinimas:Kai diodinio lazerio skleidžiama šviesa patenka į stiprinimo terpę, retųjų žemių jonai sugeria šią energiją ir sužadinami iki aukštesnės energijos būsenų.
Populiacijos inversija
Populiacijos inversijos pasiekimas:Lazerio veikimo esmė – populiacijos inversijos pasiekimas stiprinimo terpėje. Tai reiškia, kad daugiau jonų yra sužadintoje būsenoje nei pagrindinėje būsenoje.
Stimuliuota emisija:Kai pasiekiama populiacijos inversija, įvedus fotoną, atitinkantį energijos skirtumą tarp sužadintos ir pagrindinės būsenų, galima paskatinti sužadintus jonus grįžti į pagrindinę būseną, proceso metu išspinduliuojant fotoną.
Optinis rezonatorius
Veidrodžiai: Stiprinimo terpė dedama į optinį rezonatorių, paprastai sudarytą iš dviejų veidrodžių kiekviename terpės gale.
Grįžtamasis ryšys ir stiprinimas: Vienas iš veidrodžių atspindi šviesą labai gerai, o kitas – iš dalies. Fotonai šokinėja pirmyn ir atgal tarp šių veidrodžių, skatindami daugiau spinduliuotės ir sustiprindami šviesą.
Lazerio emisija
Koherentinė šviesa: Skleidžiami fotonai yra koherentiniai, tai reiškia, kad jie yra fazėje ir turi tą patį bangos ilgį.
Išvestis: Iš dalies atspindintis veidrodis praleidžia dalį šios šviesos ir sudaro lazerio spindulį, išeinantį iš DPSS lazerio.
Siurbimo geometrijos: šoninis ir galinis pumpavimas
| Siurbimo metodas | Aprašymas | Paraiškos | Privalumai | Iššūkiai |
|---|---|---|---|---|
| Šoninis pumpavimas | Siurblio šviesa, įvesta statmenai lazerio terpei | Strypiniai arba pluošto lazeriai | Vienodas siurblio šviesos pasiskirstymas, tinkamas didelės galios taikymams | Nevienodas stiprinimo pasiskirstymas, prastesnė spindulio kokybė |
| Baigti pumpavimą | Siurblio šviesa, nukreipta išilgai tos pačios ašies kaip ir lazerio spindulys | Kietojo kūno lazeriai, tokie kaip Nd:YAG | Vienodas stiprinimo pasiskirstymas, aukštesnė spindulio kokybė | Sudėtingas išlyginimas, mažiau efektyvus šilumos išsklaidymas didelės galios lazeriuose |
Efektyvaus siurblio apšvietimo reikalavimai
| Reikalavimas | Svarba | Poveikis / Pusiausvyra | Papildomos pastabos |
|---|---|---|---|
| Spektro tinkamumas | Bangos ilgis turi atitikti lazerio terpės sugerties spektrą | Užtikrina efektyvų įsisavinimą ir efektyvią populiacijos inversiją | - |
| Intensyvumas | Turi būti pakankamai aukštas norimam sužadinimo lygiui | Per didelis intensyvumas gali sukelti terminę žalą; per mažas intensyvumas nepasieks populiacijos inversijos. | - |
| Spindulio kokybė | Ypač svarbu lazeriuose su kaupinimu gale | Užtikrina efektyvų sujungimą ir prisideda prie skleidžiamo lazerio spindulio kokybės | Tiksliam siurblio šviesos ir lazerio režimo garsumo persidengimui labai svarbi tolimojo spindulio kokybė |
| Poliarizacija | Reikalinga anizotropinių savybių turinčioms terpėms | Padidina absorbcijos efektyvumą ir gali paveikti skleidžiamos lazerio šviesos poliarizaciją | Gali prireikti specifinės poliarizacijos būsenos |
| Intensyvumo triukšmas | Žemas triukšmo lygis yra labai svarbus | Siurblio šviesos intensyvumo svyravimai gali turėti įtakos lazerio išvesties kokybei ir stabilumui | Svarbu tais atvejais, kai reikalingas didelis stabilumas ir tikslumas |
Įrašo laikas: 2023 m. gruodžio 1 d.