레이저의 광학 펌핑이란 무엇입니까?

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본질적으로 레이저 펌핑은 매체에 에너지를 공급하여 레이저 광을 방출할 수 있는 상태를 만드는 프로세스입니다. 이는 일반적으로 매질에 빛이나 전류를 주입하여 원자를 자극하고 일관성 있는 빛을 방출함으로써 수행됩니다. 이 기본 프로세스는 20세기 중반 최초의 레이저가 출현한 이후 크게 발전했습니다.

종종 속도 방정식으로 모델링되지만 레이저 펌핑은 근본적으로 양자 역학적 프로세스입니다. 이는 광자와 이득 매질의 원자 또는 분자 구조 사이의 복잡한 상호 작용을 포함합니다. 고급 모델은 Rabi 진동과 같은 현상을 고려하여 이러한 상호 작용에 대한 보다 미묘한 이해를 제공합니다.

레이저 펌핑은 일반적으로 빛이나 전류 형태의 에너지가 레이저의 이득 매질에 공급되어 원자나 분자를 더 높은 에너지 상태로 높이는 프로세스입니다. 이러한 에너지 전달은 낮은 에너지 상태보다 더 많은 입자가 여기되어 매질이 유도 방출을 통해 빛을 증폭할 수 있는 상태인 인구 반전을 달성하는 데 중요합니다. 이 프로세스에는 종종 속도 방정식이나 고급 양자 역학 프레임워크를 통해 모델링되는 복잡한 양자 상호 작용이 포함됩니다. 주요 측면에는 펌프 소스(예: 레이저 다이오드 또는 방전 램프) 선택, 펌프 구조(측면 또는 끝 펌핑), 펌프 조명 특성(스펙트럼, 강도, 빔 품질, 편광)의 최적화가 포함됩니다. 중간을 얻습니다. 레이저 펌핑은 고체 레이저, 반도체 레이저, 가스 레이저 등 다양한 레이저 유형의 기본이며 레이저의 효율적이고 효과적인 작동에 필수적입니다.

다양한 광학 펌핑 레이저

 

1. 도핑된 절연체를 사용한 고체 레이저

· 개요:이 레이저는 전기 절연 호스트 매체를 사용하고 광학 펌핑을 사용하여 레이저 활성 이온에 에너지를 공급합니다. 일반적인 예는 YAG 레이저의 네오디뮴입니다.

·최근 연구:A. Antipov 등의 연구. 스핀 교환 광학 펌핑을 위한 고체 근적외선 레이저에 대해 논의합니다. 이 연구는 고체 레이저 기술, 특히 의료 영상 및 통신과 같은 응용 분야에 중요한 근적외선 스펙트럼의 발전을 강조합니다.

추가 자료:스핀 교환 광학 펌핑을 위한 고체 근적외선 레이저

2. 반도체 레이저

·일반 정보: 일반적으로 전기적으로 펌핑되는 반도체 레이저는 특히 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers)과 같이 높은 밝기가 필요한 응용 분야에서 광학 펌핑의 이점을 누릴 수도 있습니다.

·최근 개발: 초고속 고체 및 반도체 레이저의 광 주파수 빗에 대한 U. Keller의 연구는 다이오드 펌핑 고체 및 반도체 레이저의 안정적인 주파수 빗 생성에 대한 통찰력을 제공합니다. 이러한 발전은 광주파수 계측 분야의 응용 분야에 중요합니다.

추가 자료:초고속 고체 및 반도체 레이저의 광 주파수 빗

3. 가스 레이저

·가스 레이저의 광학 펌핑: 알칼리 증기 레이저와 같은 특정 유형의 가스 레이저는 광학 펌핑을 사용합니다. 이러한 레이저는 특정 특성을 지닌 일관성 있는 광원이 필요한 응용 분야에 자주 사용됩니다.

 

 

광학 펌핑 소스

방전 램프: 램프펌프 레이저에서 흔히 볼 수 있는 방전램프는 고출력과 넓은 스펙트럼을 위해 사용됩니다. YA Mandrykoet al. 고체 레이저의 능동 매체 광학 펌핑 크세논 램프에서 임펄스 아크 방전 생성의 전력 모델을 개발했습니다. 이 모델은 효율적인 레이저 작동에 중요한 임펄스 펌핑 램프의 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

레이저 다이오드:다이오드 펌프 레이저에 사용되는 레이저 다이오드는 고효율, 소형 크기, 미세 조정 기능과 같은 장점을 제공합니다.

추가 자료:레이저 다이오드 란 무엇입니까?

플래시 램프: 플래시 램프는 루비 또는 Nd:YAG 레이저와 같은 고체 레이저를 펌핑하는 데 일반적으로 사용되는 강렬하고 넓은 스펙트럼의 광원입니다. 이는 레이저 매질을 자극하는 고강도 빛의 폭발을 제공합니다.

아크 램프: 플래시 램프와 유사하지만 지속적인 작동을 위해 설계된 아크 램프는 강렬한 빛을 안정적으로 제공합니다. 연속파(CW) 레이저 작동이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.

LED(발광 다이오드): 레이저 다이오드만큼 일반적이지는 않지만 LED는 특정 저전력 응용 분야에서 광학 펌핑에 사용될 수 있습니다. 이는 긴 수명, 저렴한 비용 및 다양한 파장에서의 가용성으로 인해 유리합니다.

햇빛: 일부 실험 설정에서는 집중된 햇빛이 태양열 펌핑 레이저의 펌프 소스로 사용되었습니다. 이 방법은 태양 에너지를 활용하여 재생 가능하고 비용 효율적인 에너지원이지만 인공 광원에 비해 제어하기 어렵고 강도도 낮습니다.

섬유 결합 레이저 다이오드: 광섬유에 결합된 레이저 다이오드로, 펌프광을 레이저 매질에 보다 효율적으로 전달합니다. 이 방법은 파이버 레이저와 펌프 광의 정확한 전달이 중요한 상황에서 특히 유용합니다.

기타 레이저: 때로는 하나의 레이저가 다른 레이저를 펌핑하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 주파수가 두 배로 증가된 Nd:YAG 레이저를 사용하여 염료 레이저를 펌핑할 수 있습니다. 이 방법은 기존 광원으로는 쉽게 달성할 수 없는 펌핑 프로세스에 특정 파장이 필요할 때 자주 사용됩니다. 

 

다이오드 펌프 고체 레이저

초기 에너지원: 프로세스는 펌프 소스 역할을 하는 다이오드 레이저로 시작됩니다. 다이오드 레이저는 효율성, 컴팩트한 크기, 특정 파장의 빛을 방출하는 능력 때문에 선택됩니다.

펌프 라이트:다이오드 레이저는 고체 이득 매질에 흡수된 빛을 방출합니다. 다이오드 레이저의 파장은 이득 매질의 흡수 특성에 맞게 조정됩니다.

솔리드 스테이트이득 중간

재료:DPSS 레이저의 이득 매질은 일반적으로 Nd:YAG(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷), Nd:YVO4(네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트) 또는 Yb:YAG(이터븀 도핑 이트륨 알루미늄 가넷)과 같은 고체 재료입니다.

도핑:이러한 재료에는 활성 레이저 이온인 희토류 이온(Nd 또는 Yb 등)이 도핑되어 있습니다.

 

에너지 흡수 및 여기:다이오드 레이저의 펌프 광이 이득 매질에 들어가면 희토류 이온이 이 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 여기됩니다.

인구 역전

인구 역전 달성:레이저 동작의 핵심은 이득 매체에서 인구 반전을 달성하는 것입니다. 이는 바닥 상태보다 여기 상태에 있는 이온이 더 많다는 것을 의미합니다.

유도 방출:밀도 반전이 달성되면 들뜬 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이에 해당하는 광자의 도입으로 여기된 이온이 바닥 상태로 돌아가도록 자극하여 그 과정에서 광자를 방출할 수 있습니다.

 

광학 공진기

거울: 이득 매체는 일반적으로 매체의 각 끝에 있는 두 개의 거울로 구성된 광학 공진기 내부에 배치됩니다.

피드백 및 증폭: 거울 중 하나는 반사율이 높고 다른 하나는 부분적으로 반사됩니다. 광자는 이 거울 사이에서 앞뒤로 반사되어 더 많은 방출을 자극하고 빛을 증폭시킵니다.

 

레이저 방출

응집성 빛(Coherent Light): 방출되는 광자는 응집성입니다. 즉, 위상이 같고 파장이 동일합니다.

출력: 부분 반사 거울은 이 빛의 일부를 통과시켜 DPSS 레이저에서 나오는 레이저 빔을 형성합니다.

 

펌핑 구조: 측면 및 끝 펌핑

 

펌핑 방식 설명 응용 장점 도전과제
사이드 펌핑 레이저 매질에 수직으로 도입되는 펌프 광 막대 또는 섬유 레이저 펌프 광의 균일한 분포, 고전력 애플리케이션에 적합 불균일한 이득 분포, 낮은 빔 품질
펌핑 종료 레이저 빔과 동일한 축을 따라 전달되는 펌프 광 Nd:YAG와 같은 고체 레이저 균일한 이득 분배, 더 높은 빔 품질 복잡한 정렬, 고출력 레이저의 덜 효율적인 열 방출

효과적인 펌프 조명을 위한 요구 사항

 

요구 사항 중요성 영향/균형 추가 참고 사항
스펙트럼 적합성 파장은 레이저 매질의 흡수 스펙트럼과 일치해야 합니다. 효율적인 흡수 및 효과적인 인구 반전을 보장합니다. -
강함 원하는 여기 수준에 맞게 충분히 높아야 합니다. 강도가 지나치게 높으면 열 손상이 발생할 수 있습니다. 너무 낮으면 인구 역전이 달성되지 않습니다. -
빔 품질 엔드 펌프 레이저에서 특히 중요합니다. 효율적인 결합을 보장하고 방출된 레이저 빔 품질에 기여합니다. 높은 빔 품질은 펌프 광과 레이저 모드 볼륨의 정확한 중첩을 위해 중요합니다.
양극화 이방성 속성이 있는 미디어에 필요 흡수 효율을 향상시키고 방출된 레이저 광 편광에 영향을 줄 수 있습니다. 특정 편광 상태가 필요할 수 있음
강도 소음 낮은 소음 수준이 중요합니다. 펌프 광도의 변동은 레이저 출력 품질과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 높은 안정성과 정밀도가 요구되는 응용 분야에 중요
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게시 시간: 2023년 12월 1일