Laserpumpning är processen att pumpa energi från en extern källa till en lasers arbetsmiljö . Den absorberade energin översätter atomerna i arbetsmediet till ett exciterat tillstånd . När antalet atomer i det exciterade tillståndet överstiger antalet atomer i grundtillståndet uppstår en populationsinversion . I detta tillstånd börjar mekanismen för stimulerad emission att fungera och laserstrålning eller optisk förstärkning inträffar . Pumpeffekten måste överstiga tröskelvärdet för lasergenerering . Pumpenergi kan tillhandahållas i form av ljus , elektrisk ström , energi från kemiska eller kärnreaktioner , termisk eller mekanisk energi.
Det klassiska trenivåsystemet för pumpning av arbetsmediet används till exempel i en rubinlaser. Ruby är en kristall av Al 2 O 3 korund dopad med en liten mängd Cr 3+ kromjoner , som är källan till laserstrålning. På grund av påverkan av det elektriska fältet i kristallgittret av korund delas den externa energinivån av krom E 2 (se Stark-effekt ). Det är detta som gör det möjligt att använda icke-monokromatisk strålning som pump. [1] I detta fall går atomen från grundtillståndet med energi E 0 till ett exciterat tillstånd med energi runt E 2 . En atom kan stanna i detta tillstånd under en relativt kort tid (i storleksordningen 10–8 s), en icke-strålningsövergång till E 1 - nivån sker nästan omedelbart , vid vilken atomen kan stanna mycket längre (upp till 10–3 s ), detta är den så kallade metastabila nivån . Det finns en möjlighet att implementera inducerad emission under påverkan av andra slumpmässiga fotoner. Så snart det finns fler atomer i det metastabila tillståndet än i huvudsak, börjar genereringsprocessen [2] [3] .
Det är omöjligt att skapa en populationsinversion av Cr-atomer genom att pumpa direkt från E 0 - nivån till E 1 - nivån . Detta beror på det faktum att om absorption och stimulerad emission sker mellan två nivåer, så fortgår båda dessa processer i samma takt. Därför kan pumpning i det här fallet endast utjämna populationerna på de två nivåerna, vilket inte räcker för att generering ska inträffa [1] .
I vissa lasrar, till exempel i neodymlasrar, där strålning genereras på Nd3 + neodymjoner , används ett pumpschema med fyra nivåer. Här, mellan den metastabila E 2 och huvudnivån E 0 , finns en mellanliggande arbetsnivå E 1 . Stimulerad emission uppstår när en atom passerar mellan nivåerna E 2 och E 1 . Fördelen med detta schema är att det i det här fallet är lätt att uppfylla det omvända befolkningsvillkoret, eftersom livslängden för den övre arbetsnivån ( E 2 ) är flera storleksordningar längre än livslängden för den lägre nivån ( E 1 ). Detta minskar avsevärt kraven på pumpkällan. [2] Dessutom låter ett sådant schema dig skapa högeffektlasrar som arbetar i ett kontinuerligt läge, vilket är mycket viktigt för vissa applikationer. [4] Sådana lasrar har dock en betydande nackdel i form av låg kvantverkningsgrad, som definieras som förhållandet mellan energin hos den emitterade fotonen och energin hos den absorberade pumpfotonen (η quantum = hν strålning / hν pump )
Optisk pumpning av en laser innebär närvaron av en ljuskälla, ett optiskt system för att koncentrera detta ljus på laserns arbetskropp och den faktiska arbetskroppen hos lasern. Lamptypen och laserns arbetskropp måste matcha varandra vad gäller emissions- respektive absorptionsspektra. Ljuskällan används vanligtvis:
Optisk pumpning av lasern utförs som regel från sidan av laserns arbetsmedium. Lasrar är oftast solid state (presenteras som en stav av kristall eller föroreningsaktiverat glas) eller färgämneslasrar (i form av en flytande färglösning i ett glasrör eller en stråle av färglösning ("transversal pumping"). För den mest effektiva användningen av strålningsenergin är lampan och det aktiva mediet placerade i ett hålrum med en spegelyta, som riktar det mesta av lampans ljus mot arbetsmediet. Högeffekts lamppumpade lasrar är vätskekylda. Halvledarljusemitterande enheter är monterade på en kylfläns .
Att pumpa en laser med en annan laser används när spektrumet eller uteffekten för den önskade lasern inte matchar de tillgängliga lasrarna. I detta fall väljs ett par från den tillgängliga lasern och arbetsvätskan. Lasern belyser arbetsvätskan i sitt strålningsspektrum och arbetsvätskan strålar i det erforderliga spektrumet. Strålningseffekten ökas genom att bestråla arbetskroppen med flera lågeffektlasrar. En mängd olika sådana lasrar ( diodpumpad halvledarlaser , eng. DPSS ) används ofta i form av laserpekare i olika färger. Pumpning med laser (snarare än en konventionell LED) förenklar systemet för att fokusera pumpstrålningen på arbetskroppen, minska dimensionerna och öka effektiviteten i designen. Kraftfulla fiberlasrar baserade på en liknande princip är vanliga inom industrin.
Direktpumpning av lasrar med elektrisk ström har utarbetats för två typer av lasrar: gas (elektrisk urladdning i laserns arbetskropp) och halvledare.
Gaslasrar är vanligtvis ett glasrör fyllt med en speciell gas eller blandning av gaser. Under påverkan av elektroner blir gasmolekyler exciterade och frigör den mottagna energin i form av fotonstrålning. För att excitera arbetsmediet hos sådana lasrar används samma metoder som för att tända konventionella gasurladdningslampor : Skapar en elektrisk urladdning mellan elektroder som är insatta i röret.
En halvledarlaser är en halvledaranordning, direkt i vars struktur laserstrålning uppstår under inverkan av en elektrisk ström. För denna klass av lasrar är elektrisk strömpumpning huvudmetoden.
En gasdynamisk laser består av ett munstycke genom vilket gas som överhettats till 1 500 grader kommer ut med överljudshastighet (upp till Mach 4) . Den momentana expansionen och adiabatiska kylningen av gasen lämnar ett betydande antal molekyler i gasen i exciterat tillstånd. Vidare kommer arbetsvätskan in i en struktur som liknar gaslasrar, där de exciterade molekylerna passerar in i grundtillståndet och deltar i stimulerad emission. Ofta är designen av en sådan laser baserad på flygplansturbojetmotorer eller raketmotorer. Den gasdynamiska principen för pumpning, trots den låga verkningsgraden, kan producera ultrahögenergi laserstrålning (upp till megawatt) i både pulsat och kontinuerligt läge. [8] [9] [10] [11] [12]
Lasrar som använder energin från en kemisk reaktion är en typ av gaslasrar, genom vars arbetsområde gasformiga reagenser pumpas kontinuerligt. I en kemisk reaktion mellan reaktanter bildas molekyler i exciterat tillstånd, som övergår i grundtillståndet med emission av en foton. Gaslasrar kan producera höga uteffekter med relativt kompakta dimensioner. Ett av problemen med gaslasrar är dålig miljövänlighet på grund av rikligt med giftiga avgaser.
Energin från en kärnvapenexplosion är det mest exotiska sättet att pumpa lasrar. Varje ämne i epicentret av explosionen förvandlas till plasma, som, kyls ner, återigen bildar atomer, men redan exciterade. Om en lång stav är prefabricerad från den ursprungliga substansen, kan förhållanden bildas i den i riktning längs axeln för förekomsten av stimulerad strålning som genereras som ett resultat av övergången av atomer till grundtillståndet. Uppenbarligen är en sådan laser pulsad och för engångsbruk. Enorma energi förutbestämmer röntgenomfånget för strålning.