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본질적으로 레이저 펌핑은 레이저 라이트를 방출 할 수있는 상태를 달성하기 위해 매체에 활력을 불어 넣는 과정입니다. 이것은 일반적으로 광 또는 전류를 배지에 주입하여 원자를 흥분시키고 일관된 빛의 방출로 이어집니다. 이 기본 과정은 20 세기 중반 첫 레이저가 출현 한 이후 크게 발전했습니다.
종종 속도 방정식에 의해 모델링되는 반면, 레이저 펌핑은 근본적으로 양자 기계적 공정입니다. 그것은 광자와 이득 매질의 원자 또는 분자 구조 사이의 복잡한 상호 작용을 포함한다. 고급 모델은 Rabi 진동과 같은 현상을 고려하여 이러한 상호 작용에 대한 미묘한 이해를 제공합니다.
레이저 펌핑은 일반적으로 광 또는 전류 형태의 에너지가 레이저의 게인 매체에 공급되는 과정입니다. 이 에너지 전달은 더 많은 입자가 낮은 에너지 상태보다 더 많은 입자가 흥분되는 상태 인 집단 역전을 달성하는 데 중요합니다. 이 과정은 복잡한 양자 상호 작용을 포함하며, 종종 속도 방정식 또는 더 고급 양자 기계적 프레임 워크를 통해 모델링됩니다. 주요 측면에는 펌프 소스 (레이저 다이오드 또는 배출 램프와 같은), 펌프 형상 (측면 또는 엔드 펌핑) 및 펌프 광 특성 (스펙트럼, 강도, 빔 품질, 편광)의 선택이 포함됩니다. 레이저 펌핑은 솔리드 스테이트, 반도체 및 가스 레이저를 포함한 다양한 레이저 유형에서 기본적이며 레이저의 효율적이고 효과적인 작동에 필수적입니다.
광학적으로 펌핑 된 레이저의 품종
1. 도핑 된 절연체가있는 고체 레이저
· 개요 :이 레이저는 전기 절연 숙주 배지를 사용하고 광학 펌핑에 의존하여 레이저 활성 이온에 활력을 불어 넣습니다. 일반적인 예는 YAG 레이저의 Neodymium입니다.
·최근 연구 :A. Antipov 등의 연구. 스핀 교환 광학 펌핑을위한 솔리드 스테이트 근거리 레이저에 대해 논의합니다. 이 연구는 솔리드 스테이트 레이저 기술, 특히 근적외선 스펙트럼의 발전을 강조하며, 이는 의료 영상 및 통신과 같은 응용 프로그램에 중요합니다.
추가 읽기 :스핀 교환 광학 펌핑을위한 솔리드 스테이트 근거리 레이저
2. 반도체 레이저
·일반 정보 : 일반적으로 전기적으로 펌핑 된 반도체 레이저는 광학 펌핑, 특히 수직 외부 공동 표면 방출 레이저 (VECSELS)와 같은 높은 밝기가 필요한 응용 분야에서 혜택을 볼 수 있습니다.
·최근 개발 : U. Keller의 초고속 고체 상태 및 반도체 레이저의 광학 주파수 빗에 대한 U. Keller의 작업은 다이오드-펌핑 솔리드 스테이트 및 반도체 레이저의 안정적인 주파수 빗 생성에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 발전은 광학 주파수 계측의 응용에 중요합니다.
추가 읽기 :초고속 고체 상태 및 반도체 레이저로부터의 광학 주파수 빗
3. 가스 레이저
·가스 레이저의 광학 펌핑 : 알칼리 증기 레이저와 같은 특정 유형의 가스 레이저는 광학 펌핑을 사용합니다. 이 레이저는 종종 특정 특성을 가진 일관된 광원이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다.
광학 펌핑 소스
방전 램프: 램프 펌프 레이저에서 일반적으로 배출 램프는 고전력과 광범위한 스펙트럼에 사용됩니다. Ya Mandryko et al. 고체 레이저의 활성 매체 광학 펌핑 크세논 램프에서 임펄스 아크 방전 생성의 전력 모델을 개발했습니다. 이 모델은 효율적인 레이저 작동에 중요한 임펄스 펌핑 램프의 성능을 최적화하는 데 도움이됩니다.
레이저 다이오드:다이오드 펌핑 레이저에 사용되는 레이저 다이오드는 고효율, 소형 크기 및 미세하게 조정할 수있는 능력과 같은 장점을 제공합니다.
추가 읽기 :레이저 다이오드 란 무엇입니까?
플래시 램프: 플래시 램프는 Ruby 또는 ND : YAG 레이저와 같은 고형 상태 레이저를 펌핑하는 데 일반적으로 사용되는 강렬하고 넓은 스펙트럼 광원입니다. 그들은 레이저 매체를 흥분시키는 고강도 파열의 빛을 제공합니다.
아크 램프: 플래시 램프와 유사하지만 연속적인 작동을 위해 설계된 아크 램프는 꾸준한 강렬한 빛의 공급원을 제공합니다. 연속파 (CW) 레이저 작동이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다.
LED (Light Emitting Diodes): 레이저 다이오드만큼 흔하지는 않지만 LED는 특정 저전력 응용 분야에서 광학 펌핑에 사용할 수 있습니다. 그들은 다양한 파장의 장수, 저렴한 비용 및 가용성으로 인해 유리합니다.
햇빛: 일부 실험 설정에서, 농축 된 햇빛은 태양열 레이저의 펌프 소스로 사용되었습니다. 이 방법은 태양 에너지를 활용하여 재생 가능하고 비용 효율적인 공급원이되지만 인공 광원에 비해 제어 가능하고 강렬합니다.
섬유 결합 레이저 다이오드: 이들은 광학 섬유에 결합 된 레이저 다이오드이며, 이는 펌프 라이트를 레이저 매체에보다 효율적으로 전달합니다. 이 방법은 섬유 레이저 및 펌프 라이트의 정확한 전달이 중요한 상황에서 특히 유용합니다.
다른 레이저: 때로는 한 레이저가 다른 레이저를 펌핑하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 주파수 지분 ND : YAG 레이저는 염료 레이저를 펌핑하는 데 사용될 수 있습니다. 이 방법은 기존의 광원으로 쉽게 달성되지 않는 펌핑 공정에 특정 파장이 필요할 때 종종 사용됩니다.
다이오드 펌핑 솔리드 스테이트 레이저
초기 에너지 원: 프로세스는 펌프 소스 역할을하는 다이오드 레이저로 시작합니다. 다이오드 레이저는 효율성, 소형 크기 및 특정 파장에서 빛을 방출하는 능력을 위해 선택됩니다.
펌프 라이트 :다이오드 레이저는 고체 상태 이득 매체에 의해 흡수되는 빛을 방출합니다. 다이오드 레이저의 파장은 게인 매체의 흡수 특성과 일치하도록 조정됩니다.
솔리드 스테이트매체를 얻습니다
재료:DPSS 레이저의 게인 매체는 일반적으로 ND : YAG (Neodymium Doped Yttrium Aluminum Garnet), ND : YVO4 (Neodymium-Doped Yttrium orthovanadate) 또는 YB : YAG (YTTERBIOM-DOPED YTTRIUM ALUMINUM GARNET)와 같은 고체 물질입니다.
도핑 :이 물질은 활성 레이저 이온 인 희귀 지구 이온 (ND 또는 YB 등)으로 도핑됩니다.
에너지 흡수 및 흥분 :다이오드 레이저로부터의 펌프 라이트가 게인 매체에 들어가면, 희귀 한 이온은이 에너지를 흡수하고 더 높은 에너지 상태에 흥분한다.
인구 반전
인구 반전 달성 :레이저 작용의 핵심은 게인 매체에서 집단 역전을 달성하는 것입니다. 이것은 더 많은 이온이 지상 상태보다 여기 상태에 있음을 의미합니다.
자극 방출 :일단 집단 반전이 달성되면, 여기 및 지상 상태 사이의 에너지 차이에 상응하는 광자의 도입은 여기 이온이지면 상태로 돌아와서 과정에서 광자를 방출 할 수있다.
광학 공진기
거울 : 게인 매체는 광학 공진기 내부에 배치되며, 일반적으로 매체의 각 끝에 2 개의 거울로 형성됩니다.
피드백 및 증폭 : 거울 중 하나는 반사적이며 다른 하나는 부분적으로 반사적입니다. 광자는이 거울 사이에서 앞뒤로 튀어 나와 더 많은 배출을 자극하고 빛을 증폭시킵니다.
레이저 방출
일관된 빛 : 방출되는 광자는 일관성이있어서 위상이 있고 동일한 파장을 갖는다는 것을 의미합니다.
출력 : 부분적으로 반사 미러를 사용하면이 빛의 일부가 통과하여 DPSS 레이저를 종료하는 레이저 빔을 형성합니다.
펌핑 형상 : 측면 대 엔드 펌핑
펌핑 방법 | 설명 | 응용 프로그램 | 장점 | 도전 |
---|---|---|---|---|
사이드 펌핑 | 펌프 라이트는 레이저 매체에 수직으로 도입되었습니다 | 로드 또는 섬유 레이저 | 고출력 적용에 적합한 펌프 라이트의 균일 한 분포 | 비 균일 게인 분포, 낮은 빔 품질 |
끝 펌핑 | 레이저 빔과 동일한 축을 따라 지시 된 펌프 라이트 | ND : YAG와 같은 고형 상태 레이저 | 균일 게인 분포, 더 높은 빔 품질 | 고출력 레이저에서 복잡한 정렬, 덜 효율적인 열 소산 |
효과적인 펌프 조명에 대한 요구 사항
요구 사항 | 중요성 | 충격/균형 | 추가 메모 |
---|---|---|---|
스펙트럼 적합성 | 파장은 레이저 매체의 흡수 스펙트럼과 일치해야합니다. | 효율적인 흡수 및 효과적인 집단 반전을 보장합니다 | - |
강함 | 원하는 흥분 수준을 위해 충분히 높아야합니다 | 지나치게 높은 강도는 열 손상을 일으킬 수 있습니다. 너무 낮은 것은 인구 역전을 달성하지 못합니다 | - |
빔 품질 | 종말 펌핑 레이저에서 특히 중요합니다 | 효율적인 커플 링을 보장하고 방출 된 레이저 빔 품질에 기여합니다. | 펌프 조명 및 레이저 모드 볼륨의 정확한 중첩에 고음 품질이 중요합니다. |
편광 | 이방성 특성이있는 미디어에 필요합니다 | 흡수 효율을 향상시키고 방출 된 레이저 광 분극에 영향을 줄 수 있습니다. | 특정 편광 상태가 필요할 수 있습니다 |
강도 노이즈 | 저 소음 수준이 중요합니다 | 펌프 광 강도의 변동은 레이저 출력 품질과 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. | 높은 안정성과 정밀도가 필요한 응용 프로그램에 중요합니다 |
후 시간 : Dec-01-2023