光泵浦 Optical pumping

2022-11-17 10:24:18 浏览:671

定义

用光以电子方式激发介质,或专门填充某些电子能级 。

光学泵送某些介质本质上意味着注入光,以便以电子方式激发介质或其某些成分进入其他(通常是较高)能级。 在激光器或激光放大器的背景下,目标是在增益介质中实现群体反转,从而通过某些光频率范围的受激发射获得光放大。 (该范围的宽度称为增益带宽。 在其他情况下,例如在光谱测量中,目标可以是选择性地填充特定的电子能级(例如一些超精细子能级),该电子能级不一定具有远高于基态的能量。

光泵浦过程通常可以用速率方程建模来描述。 然而,这忽略了原子 - 光子相互作用的量子性质的某些方面。 存在更全面的物理模型,也可以描述相干现象,例如拉比振荡。

光学泵浦激光器

可以光学泵浦各种类型的激光器:

光泵浦 Optical pumping

图1:钕离子(例如在YAG激光器中)可以通过光学泵浦到一些高能级,从那里它们迅速衰减(绿色箭头)进入上激光能级,从那里可以发生1064nm激光波长的受激发射(例如)。

  • 最常见的光泵浦激光器是掺杂绝缘体固态激光器。 由于主体介质(激光晶体、玻璃或陶瓷片)是电绝缘的,因此光泵浦是向激光活性离子(例如稀土离子)提供能量的唯一方法。 请参阅图 1 作为示例。
  • 半导体激光器在大多数情况下是电泵浦的,但光泵浦可以具有一定的优势。 在垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)的情况下,它允许具有非常高亮度(高功率与高光束质量相结合)的激光输出。 在其他情况下,光泵浦有时用于测试目的,例如在研究新的半导体成分时。 光泵浦半导体增益介质通常具有比电泵浦表亲更简单的结构。
  • 在极少数情况下,气体激光器(特别是碱蒸气激光器)是光泵浦的。

常见的光泵浦源类型有:

  • 放电灯(→灯泵浦激光器))
  • 激光二极管(→二极管泵浦激光器)
  • 其他类型的激光器或激光源

后一种情况的例子是用倍频固态激光器泵浦的钛蓝宝石激光器,以及用气体激光器泵浦的染料激光器。

在光泵浦激光器中实现高功率转换效率的要求是泵浦光被增益介质有效吸收。 如果增益介质足够长,掺杂浓度高,泵浦光的光频率范围足够宽,则可能出现这种情况。 在某些情况下,可以通过安排泵浦光通过增益介质的多次通道来提高泵浦吸收效率。 这种技术通常用于例如在薄盘激光器中。

光泵浦的常用替代方案是电泵浦,特别适用于激光二极管和气体激光器。

使用多个电子能级

在最简单的情况下,光泵浦介质吸收光,每个吸收的光子将一个原子或离子激发到更高的电子能级。 所涉及的电子能级的能量差必须与泵浦光的光子能量相匹配。 一旦介质达到一定程度的激发,同一种光也会引起受激发射,将激发的原子或离子带回较低的水平。 因此,具有简单两水平方案的介质无法达到人口反转。

激光器中的光泵浦至少涉及三个不同的能级。 在最简单的情况下,激光活性离子从其基态泵送到较高的水平,从那里它们经历快速的辐射或非辐射衰变,进入能量稍低的激发能级。 由于泵浦光不能引起从该水平到基态的受激发射(由于光子能量太高),因此可以实现足够高的泵浦强度的群体反转。 通过引入第四能级,可以获得四能级激光系统,其中激光跃迁涉及两个中间能级。 如果由于基态的快速衰减而保持较低的水平群体较小,则即使只有一小部分离子被激发,也可以实现群体反转。 关于四电平和三电平激光增益介质的文章解释了细节。

带内泵送

固态激光增益介质通常表现出略微非简并的斯塔克能级流形。 由于每个歧管内的能量变化,即使只有两个涉及歧管,也可以进行光泵浦激光操作:离子从下部歧管(通常是基态歧管)泵送到某个较高的流形,并且激光跃迁直接从那里引导回下部歧管,没有中间歧管。

这种泵方案称为带内泵浦,可用于各种激光活性离子:

  • 掺镱激光增益介质仅表现出两个斯塔克能级流形,因此除了带内泵浦之外没有其他选择。
  • 掺铒激光增益介质可以使用最低的两个电平(4I15/24I13/2)。这意味着例如,掺铒光纤放大器在 1450 nm 左右泵浦,而在 1550 nm 左右放大。 同样,也有Er:YAG激光器,它用掺铒光纤激光器或放大器泵浦,发射波长为1645 nm。
  • 同样的方案也可以应用于例如掺铥的介质。

术语带内泵浦也经常用于激光活性离子从基态歧管(不是下激光能级)直接泵入上部激光能级的情况。 例如,当掺钕激光晶体泵浦约 0.88 μm 时,就会发生这种情况。

带内泵浦通常会导致小的量子缺陷,但也经常导致从较低激光能级重吸收的显着影响(→准三能级行为)。 此外,可实现的激发度(以及激光增益)可能受到泵浦光引起的受激发射的限制。 较短的泵浦波长可能会缓解后一个问题,但这会降低泵浦吸收效率。

侧泵与端泵

在光学泵浦激光器中,泵浦光可以从不同方向注入增益介质。侧泵浦意味着光被注入到大致垂直于激光束的方向上。 在末端泵浦的情况下,泵浦光与激光束大致共线。 泵浦几何形状会影响所需的光束质量(见下文),也会影响实现的功率转换效率、激光增益和激光束质量。

对泵浦灯的要求

用于光泵浦的泵浦灯必须满足许多要求:

  • 泵浦灯的光谱必须合适。 理想情况下,所有光子都应该具有适合所需电子跃迁的能量。 然而,某些激光活性离子(例如钕离子)也可以用相当宽的光泵浦,例如用于闪光灯或弧光灯,尽管功率转换效率大大降低。
  • 泵的强度必须足够高。 激光器的泵浦强度通常与激光跃迁的饱和强度相同,但四电平激光器也可以以较低的泵浦强度进行操作。
  • 根据几何形状的不同,对泵浦梁质量的要求可能或多或少。 这主要适用于末端泵浦激光器。
  • 在某些情况下,泵浦光的偏振状态也很重要。 一些非各向同性增益介质,例如Nd:YVO4,对于不同的偏振方向表现出非常不同的吸收水平。 在光谱学中,有时需要圆偏振光来填充某些超精细水平。
  • 泵浦源的强度噪声不宜太大,因为至少其低频分量可以传递到激光输出端。

基础物理中的光泵浦

光泵浦技术也用于激光物理领域之外,通常用于基础研究。 例如,各种激光冷却方法基本上依赖于原子或离子的光泵浦,例如悬浮在光学陷阱中。 在许多情况下,某些选择规则起着至关重要的作用,它反映了角动量守恒等原理:圆偏振光的光子的吸收必须相应地改变原子的角动量,即它必须导致最终状态具有相应的修改角动量。 因此,例如,可以在具有基本相同激发能量的多种状态内选择性地泵浦某些状态。 在许多情况下,此类过程涉及光泵浦和自发发射的多个步骤,直到最终目标状态被大量填充。

有趣的是,光泵浦可以减少原子或离子的熵;这样的过程与光场熵的增加有关,使得总熵永远不会减少,实际上经常增加。

光泵浦也可用于同位素分离,因为物质的不同同位素表现出略有不同的过渡能。

量子光学

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