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En su esencia, el bombeo láser es el proceso de energizar un medio para lograr un estado donde pueda emitir la luz láser. Esto generalmente se hace inyectando luz o corriente eléctrica en el medio, emocionando sus átomos y conduciendo a la emisión de luz coherente. Este proceso fundamental ha evolucionado significativamente desde el advenimiento de los primeros láseres a mediados del siglo XX.
Si bien a menudo se modela por ecuaciones de velocidad, el bombeo láser es fundamentalmente un proceso mecánico cuántico. Implica interacciones intrincadas entre los fotones y la estructura atómica o molecular del medio de ganancia. Los modelos avanzados consideran fenómenos como las oscilaciones de Rabi, que proporcionan una comprensión más matizada de estas interacciones.
El bombeo láser es un proceso en el que la energía, típicamente en forma de luz o corriente eléctrica, se suministra al medio de ganancia de un láser para elevar sus átomos o moléculas a estados de energía más alta. Esta transferencia de energía es crucial para lograr la inversión de la población, un estado donde se excitan más partículas que en un estado de menor energía, lo que permite que el medio amplifique la luz a través de la emisión estimulada. El proceso implica interacciones cuánticas intrincadas, a menudo modeladas a través de ecuaciones de velocidad o marcos mecánicos cuánticos más avanzados. Los aspectos clave incluyen la elección de la fuente de la bomba (como diodos láser o lámparas de descarga), geometría de la bomba (bombeo lateral o final) y la optimización de las características de la luz de la bomba (espectro, intensidad, calidad del haz, polarización) para que coincida con los requisitos específicos del medio de ganancia. El bombeo láser es fundamental en varios tipos de láser, incluidos los láseres de estado sólido, semiconductores y de gas, y es esencial para la operación eficiente y efectiva del láser.
Variedades de láseres ópticamente bombeados
1. láseres de estado sólido con aisladores dopados
· Descripción general:Estos láseres usan un medio host aislante eléctricamente y dependen del bombeo óptico para energizar los iones activos láser. Un ejemplo común es el neodimio en los láseres de YAG.
·Investigación reciente:Un estudio de A. Ansov et al. Discute un láser de IR cercano al estado sólido para el bombeo óptico de intercambio de giro. Esta investigación destaca los avances en la tecnología láser de estado sólido, particularmente en el espectro de infrarrojo cercano, que es crucial para aplicaciones como imágenes médicas y telecomunicaciones.
Lectura adicional:Un láser de IR cercano al estado sólido para bombeo óptico de intercambio de giro
2. Láser de semiconductores
·Información general: típicamente bombeados eléctricamente, los láseres semiconductores también pueden beneficiarse del bombeo óptico, especialmente en aplicaciones que requieren un alto brillo, como láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical (vecsels).
·Desarrollos recientes: el trabajo de U. Keller en los peines de frecuencia óptica de los láseres de estado sólido y semiconductores ultrarrápidos proporciona información sobre la generación de peines de frecuencia estable a partir de láseres de semiconductores de estado sólido y semiconductores con bombas de diodos. Este avance es significativo para aplicaciones en metrología de frecuencia óptica.
Lectura adicional:Cocinios de frecuencia óptica de láseres de estado sólido y semiconductores ultrarrápidos
3. Láser de gas
·Bombeo óptico en láseres de gas: ciertos tipos de láseres de gas, como los láseres de vapor alcalino, utilizan el bombeo óptico. Estos láseres a menudo se usan en aplicaciones que requieren fuentes de luz coherentes con propiedades específicas.
Fuentes de bombeo óptico
Lámparas de descarga: Comunes en láseres con bombas de lámparas, las lámparas de descarga se usan para su alta potencia y su amplio espectro. Ya Mandryko et al. desarrolló un modelo de potencia de generación de descarga de arco de impulso en medios activos de bombeo óptico lámparas de xenón de láseres de estado sólido. Este modelo ayuda a optimizar el rendimiento de las lámparas de bombeo de impulso, crucial para una operación láser eficiente.
Diodos láser:Utilizado en láseres con bombas de diodos, los diodos láser ofrecen ventajas como alta eficiencia, tamaño compacto y la capacidad de estar finamente ajustados.
Lectura adicional:¿Qué es un diodo láser?
Lámparas de flash: Las lámparas de flash son fuentes de luz intensas y de amplio espectro que se usan comúnmente para bombear láseres de estado sólido, como láseres Ruby o ND: YAG. Proporcionan una explosión de luz de alta intensidad que excita el medio láser.
Lámparas de arco: Similar a las lámparas de flash, pero diseñadas para la operación continua, las lámparas de arco ofrecen una fuente constante de luz intensa. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere operación de láser de onda continua (CW).
LED (diodos emisores de luz): Si bien no es tan común como los diodos láser, los LED se pueden usar para el bombeo óptico en ciertas aplicaciones de baja potencia. Son ventajosos debido a su larga vida, bajo costo y disponibilidad en varias longitudes de onda.
Luz del sol: En algunas configuraciones experimentales, la luz solar concentrada se ha utilizado como fuente de bomba para láseres solares. Este método aprovecha la energía solar, lo que la convierte en una fuente renovable y rentable, aunque es menos controlable y menos intensa en comparación con las fuentes de luz artificiales.
Diodos láser acoplados a fibra: Estos son diodos láser acoplados a fibras ópticas, que entregan la luz de la bomba de manera más eficiente al medio láser. Este método es particularmente útil en los láseres de fibra y en situaciones donde la entrega precisa de la luz de la bomba es crucial.
Otros láser: A veces, se usa un láser para bombear otro. Por ejemplo, se podría usar un láser ND: YAG de frecuencia con frecuencia para bombear un láser de tinte. Este método a menudo se usa cuando se requieren longitudes de onda específicas para el proceso de bombeo que no se logra fácilmente con fuentes de luz convencionales.
Láser de estado sólido de diodo
Fuente de energía inicial: El proceso comienza con un láser de diodo, que sirve como fuente de bomba. Los láseres de diodos se eligen por su eficiencia, tamaño compacto y capacidad para emitir luz a longitudes de onda específicas.
Luz de la bomba:El láser de diodo emite una luz que se absorbe por el medio de ganancia de estado sólido. La longitud de onda del láser de diodo se adapta para que coincida con las características de absorción del medio de ganancia.
Estado sólidoGanar medio
Material:El medio de ganancia en los láseres DPSS es típicamente un material de estado sólido como ND: YAG (granate de aluminio Yttrium dopado con neodimio), ND: YVO4 (ortovanadato de orttrium dopado con neodimio), o YB: YAG (Garnet de aluminio Ytterbium dopado).
Dopaje:Estos materiales están dopados con iones de tierras raras (como ND o YB), que son los iones láser activos.
Absorción de energía y excitación:Cuando la luz de la bomba del láser de diodo ingresa al medio de ganancia, los iones de tierras raras absorben esta energía y se entusiasman con los estados de energía más altos.
Inversión de población
Lograr la inversión de la población:La clave para la acción láser es lograr una inversión de población en el medio de ganancia. Esto significa que más iones están en un estado excitado que en el estado fundamental.
Emisión estimulada:Una vez que se logra la inversión de la población, la introducción de un fotón correspondiente a la diferencia de energía entre los estados excitados y terrestres puede estimular los iones excitados para que regresen al estado fundamental, emitiendo un fotón en el proceso.
Resonador óptico
Espejos: el medio de ganancia se coloca dentro de un resonador óptico, típicamente formado por dos espejos en cada extremo del medio.
Comentarios y amplificación: uno de los espejos es altamente reflectante, y el otro es parcialmente reflexivo. Los fotones rebotan entre estos espejos, estimulando más emisiones y amplificando la luz.
Emisión de láser
Luz coherente: los fotones que se emiten son coherentes, lo que significa que están en fase y tienen la misma longitud de onda.
Salida: el espejo parcialmente reflectante permite que pase parte de esta luz, formando el haz láser que sale del láser DPSS.
Geometrías de bombeo: bombeo lateral frente a extremo
| Método de bombeo | Descripción | Aplicaciones | Ventajas | Desafíos |
|---|---|---|---|---|
| Bombeo lateral | Luz de bomba introducida perpendicular al medio láser | Láser de barra o fibra | Distribución uniforme de la luz de la bomba, adecuada para aplicaciones de alta potencia | Distribución de ganancia no uniforme, calidad del haz inferior |
| Bombeo final | Luz de bomba dirigida a lo largo del mismo eje que el haz láser | Láseres de estado sólido como ND: YAG | Distribución de ganancia uniforme, mayor calidad de haz | Alineación compleja, disipación de calor menos eficiente en láseres de alta potencia |
Requisitos para una luz de bomba efectiva
| Requisito | Importancia | Impacto/equilibrio | Notas adicionales |
|---|---|---|---|
| Idoneidad del espectro | La longitud de onda debe coincidir con el espectro de absorción del medio láser | Asegura la absorción eficiente y la inversión efectiva de la población | - |
| Intensidad | Debe ser lo suficientemente alto para el nivel de excitación deseado | Las intensidades demasiado altas pueden causar daño térmico; Demasiado bajo no alcanzará la inversión de la población | - |
| Calidad del rayo | Particularmente crítico en los láseres de bombeo final | Asegura un acoplamiento eficiente y contribuye a la calidad del haz láser emitido | La calidad del haz alta es crucial para la superposición precisa de la luz de la bomba y el volumen del modo láser |
| Polarización | Requerido para medios con propiedades anisotrópicas | Mejora la eficiencia de la absorción y puede afectar la polarización de la luz láser emitida | Puede ser necesario un estado de polarización específico |
| Ruido de intensidad | Los bajos niveles de ruido son cruciales | Las fluctuaciones en la intensidad de la luz de la bomba pueden afectar la calidad y estabilidad de la salida del láser | Importante para aplicaciones que requieren alta estabilidad y precisión |
Tiempo de publicación: Dic-01-2023