ニュース - レーザーの光学ポンプは何ですか？

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本質的に、レーザーポンピングは、レーザー光を放出できる状態を達成するために媒体を活性化するプロセスです。これは通常、光または電流を培地に注入し、その原子を刺激し、コヒーレント光の放出につながることによって行われます。この基礎プロセスは、20世紀半ばの最初のレーザーの出現以来、大幅に進化してきました。

レート方程式によってモデル化されることが多いことが多いが、レーザーポンピングは基本的に量子機械プロセスです。それには、光子とゲイン培地の原子または分子構造の間の複雑な相互作用が含まれます。高度なモデルは、これらの相互作用のより微妙な理解を提供するラビ振動のような現象を考慮しています。

レーザーポンピングは、通常は光または電流の形でエネルギーがレーザーのゲイン媒体に供給され、原子または分子をより高いエネルギー状態に供給するプロセスです。このエネルギー移動は、エネルギー状態が低いよりも多くの粒子が励起される状態であり、媒体が刺激された放射を介して光を増幅できるようにするために重要です。このプロセスには、複雑な量子相互作用が含まれ、多くの場合、速度方程式またはより高度な量子機械的フレームワークをモデル化します。重要な側面には、ポンプソース（レーザーダイオードや排出ランプなど）、ポンプジオメトリ（サイドポンプまたはエンドポンプ）、およびゲインメディアの特定の要件と一致するポンプ光特性（スペクトル、強度、ビーム品質、分極）の最適化が含まれます。レーザーポンピングは、固体、半導体、ガスレーザーを含むさまざまなレーザータイプの基本であり、レーザーの効率的かつ効果的な動作に不可欠です。

光学的にポンピングされたレーザーの品種

1。ドープされた絶縁体を備えた固体レーザー

・概要：これらのレーザーは、電気断熱ホスト培地を使用し、光学ポンプに依存してレーザー活性イオンをエネルギー化します。一般的な例は、YAGレーザーのネオジムです。

・最近の研究：A. Antipovらによる研究。スピン交換光ポンプのための固体状態の近赤外レーザーについて説明します。この研究は、特に医療イメージングや電気通信などのアプリケーションにとって重要な近赤外スペクトルにおけるソリッドステートレーザー技術の進歩を強調しています。

さらに読む：スピン交換光ポンプ用の固体近赤外レーザー

2。半導体レーザー

・一般的な情報：通常、電気的にポンピングされた半導体レーザーは、特に垂直外キャビティ表面放射レーザー（ベクセル）などの高い輝度を必要とするアプリケーションでは、光ポンプの恩恵を受けることができます。

・最近の開発：超高速ソリッドステートおよび半導体レーザーからの光周波数コームに関するU.ケラーの研究は、ダイオードポンプ固形状態および半導体レーザーからの安定した周波数コームの生成に関する洞察を提供します。この進歩は、光学周波数計量のアプリケーションにとって重要です。

さらに読む：超高速ソリッドステートおよび半導体レーザーからの光周波数櫛

3。ガスレーザー

・ガスレーザーの光ポンプ：アルカリ蒸気レーザーのような特定の種類のガスレーザーは、光ポンプを利用します。これらのレーザーは、特定の特性を持つコヒーレントな光源を必要とするアプリケーションでよく使用されます。

光ポンプのソース

放電ランプ：ランプポンプレーザーで一般的な排出ランプは、高出力と幅広いスペクトルに使用されます。 Ya Mandryko et al。固体レーザーのアクティブメディア光ポンプのキセノンランプにおけるインパルスアーク放電生成のパワーモデルを開発しました。このモデルは、効率的なレーザー動作に不可欠なインパルスポンプランプの性能を最適化するのに役立ちます。

レーザーダイオード:ダイオードポンプレーザーで使用されるレーザーダイオードは、高効率、コンパクトサイズ、細かく調整する能力などの利点を提供します。

さらに読む：レーザーダイオードとは何ですか？

フラッシュランプ：フラッシュランプは、RubyやNd：Yagレーザーなどの固体レーザーのポンプに一般的に使用される、強烈で広範囲の光源です。それらは、レーザー培地を興奮させる高強度の光のバーストを提供します。

アークランプ：フラッシュランプと同様ですが、連続操作用に設計されたアークランプは、強い光の安定した供給源を提供します。連続波（CW）レーザー操作が必要なアプリケーションで使用されます。

LED（光発光ダイオード）：レーザーダイオードほど一般的ではありませんが、LEDは特定の低電力アプリケーションでの光ポンプに使用できます。これらは、さまざまな波長での長寿命、低コスト、可用性のために有利です。

日光：一部の実験セットアップでは、太陽光発電レーザーのポンプ源として濃縮日光が使用されています。この方法は太陽エネルギーを活用しているため、再生可能で費用対効果の高いソースになりますが、人工光源に比べて制御可能であり、強烈ではありません。

繊維結合レーザーダイオード：これらは、光ファイバーに結合されたレーザーダイオードであり、ポンプの光をレーザー培地により効率的に送達します。この方法は、繊維レーザーやポンプ光の正確な送達が重要な状況で特に役立ちます。

他のレーザー：時には、あるレーザーが別のレーザーをポンピングするために使用されることがあります。たとえば、周波数倍のND：YAGレーザーを使用して、染料レーザーをポンプでポンピングする場合があります。この方法は、従来の光源では簡単に達成できないポンププロセスに特定の波長が必要な場合によく使用されます。

ダイオードポンプ固体レーザー

初期エネルギー源：プロセスは、ポンプ源として機能するダイオードレーザーから始まります。ダイオードレーザーは、効率、コンパクトサイズ、および特定の波長で光を放出する能力のために選択されます。

ポンプライト：ダイオードレーザーは、固体ゲイン培地によって吸収される光を放出します。ダイオードレーザーの波長は、ゲイン培地の吸収特性と一致するように調整されています。

ソリッドステート媒体を獲得します

材料：DPSSレーザーのゲイン培地は、通常、ND：YAG（ネオジムドープYttriumアルミニウムガーネット）、ND：YVO4（ネオジムドープYttrium orthovanadate）、またはYB：YAG（Ytterbium doped Yttrium aluminum Garnet）のような固体材料です。

ドーピング：これらの材料には、活性レーザーイオンである希土類イオン（NDやYBなど）がドープされています。

エネルギー吸収と励起：ダイオードレーザーからのポンプライトがゲイン培地に入ると、希土類イオンはこのエネルギーを吸収し、より高いエネルギー状態に興奮します。

人口の反転

人口の反転を達成する：レーザー作用の鍵は、ゲイン媒体の集団反転を達成することです。これは、基底状態よりも多くのイオンが励起状態にあることを意味します。

刺激放出：個体群の反転が達成されると、励起状態と基底状態のエネルギーの違いに対応する光子の導入は、励起イオンを刺激して基底状態に戻り、その過程で光子を放出します。

光共振器

ミラー：ゲイン培地は光学式共振器内に配置され、通常は培地の両端に2つのミラーによって形成されます。

フィードバックと増幅：ミラーの1つは非常に反射的であり、もう1つは部分的に反射的です。これらのミラー間で光子が前後に跳ね返り、より多くの排出量を刺激し、光を増幅します。

レーザー放出

コヒーレント光：放出される光子はコヒーレントであり、位相にあり、同じ波長を持っていることを意味します。

出力：部分的に反射するミラーにより、このライトの一部が通過し、DPSSレーザーを出るレーザービームを形成します。

ポンプジオメトリ：サイドとエンドポンプ

ポンピング方法	説明	アプリケーション	利点	課題
サイドポンピング	レーザー培地に垂直に導入されたポンプ光	ロッドまたはファイバーレーザー	ポンプ光の均一な分布、高出力用途に適しています	不均一なゲイン分布、より低いビーム品質
ポンピングを終了します	レーザービームと同じ軸に沿って指示されたポンプ光	nd：yagのような固体レーザー	均一なゲイン分布、より高いビーム品質	複雑なアライメント、高出力レーザーでの効率の低い熱散逸

効果的なポンプ光の要件

要件	重要性	インパクト/バランス	追加のメモ
スペクトルの適合性	波長はレーザー培地の吸収スペクトルに一致する必要があります	効率的な吸収と効果的な集団の反転を保証します	-
強度	望ましい励起レベルには十分に高い必要があります	非常に高い強度は、熱損傷を引き起こす可能性があります。低すぎると、人口の反転は得られません	-
ビーム品質	エンドポンプレーザーでは特に重要です	効率的な結合を保証し、放出されたレーザービーム品質に貢献します	ポンプの光とレーザーモードのボリュームの正確なオーバーラップには、高いビーム品質が重要です
偏光	異方性特性を持つメディアに必要です	吸収効率を高め、放出されたレーザー光偏光に影響を与える可能性があります	特定の偏光状態が必要になる場合があります
強度ノイズ	低ノイズレベルが非常に重要です	ポンプの光強度の変動は、レーザー出力の品質と安定性に影響を与える可能性があります	高い安定性と精度を必要とするアプリケーションにとって重要です