Pomparea cu laser este procesul de pompare a energiei dintr-o sursă externă în mediul de lucru al unui laser . Energia absorbită traduce atomii mediului de lucru într-o stare excitată . Când numărul de atomi în starea excitată depășește numărul de atomi în starea fundamentală , are loc o inversare a populației . În această stare, mecanismul de emisie stimulată începe să funcționeze și are loc radiația laser sau amplificarea optică . Puterea pompei trebuie să depășească pragul de generare a laserului . Energia pompei poate fi furnizată sub formă de lumină , curent electric, energia reacțiilor chimice sau nucleare , energie termică sau mecanică.
Sistemul clasic cu trei niveluri pentru pomparea mediului de lucru este utilizat, de exemplu, într-un laser rubin. Rubinul este un cristal de corindon Al 2 O 3 dopat cu o cantitate mică de ioni de crom Cr 3+ , care sunt sursa de radiație laser. Datorită influenței câmpului electric al rețelei cristaline de corindon, nivelul de energie externă al cromului E 2 este împărțit (vezi efectul Stark ). Acesta este ceea ce face posibilă utilizarea radiațiilor nemonocromatice ca pompă. [1] În acest caz, atomul trece de la starea fundamentală cu energie E 0 la o stare excitată cu energie în jurul lui E 2 . Un atom poate rămâne în această stare pentru un timp relativ scurt (de ordinul a 10–8 s), are loc aproape imediat o tranziție neradiativă la nivelul E1 , la care atomul poate rămâne mult mai mult (până la 10–3 s). ), acesta este așa-numitul nivel metastabil . Există posibilitatea implementării emisiei induse sub influența altor fotoni aleatori. De îndată ce există mai mulți atomi în stare metastabilă decât în principal, începe procesul de generare [2] [3] .
Este imposibil să se creeze o inversare a populației atomilor de Cr prin pomparea directă de la nivelul E 0 la nivelul E 1 . Acest lucru se datorează faptului că, dacă absorbția și emisia stimulată au loc între două niveluri, atunci ambele procese decurg în același ritm. Prin urmare, în acest caz, pomparea poate doar egaliza populațiile celor două niveluri, ceea ce nu este suficient pentru ca generarea să aibă loc [1] .
În unele lasere, de exemplu, în laserele cu neodim, în care radiația este generată pe ionii de neodim Nd 3+ , este utilizată o schemă de pompare pe patru niveluri. Aici, între metastabilul E 2 și nivelul principal E 0 există un nivel intermediar de lucru E 1 . Emisia stimulată are loc atunci când un atom trece între nivelurile E 2 și E 1 . Avantajul acestei scheme este că în acest caz este ușor de îndeplinit condiția inversă a populației, deoarece durata de viață a nivelului de lucru superior ( E 2 ) este cu câteva ordine de mărime mai lungă decât durata de viață a nivelului inferior ( E 1 ). Acest lucru reduce semnificativ cerințele pentru sursa pompei. [2] În plus, o astfel de schemă vă permite să creați lasere de mare putere care funcționează într-un mod continuu, ceea ce este foarte important pentru unele aplicații. [4] Cu toate acestea, astfel de lasere au un dezavantaj semnificativ sub forma eficienței cuantice scăzute, care este definită ca raportul dintre energia fotonului emis și energia fotonului pompei absorbite (η quantum = hν radiație / hν pompa )
Pomparea optică a unui laser implică prezența unei surse de lumină, un sistem optic pentru concentrarea acestei lumini pe corpul de lucru al laserului și corpul de lucru efectiv al laserului. Tipul de lampă și corpul de lucru al laserului trebuie să se potrivească între ele în ceea ce privește spectrele de emisie și, respectiv, de absorbție. Sursa de lumină este de obicei utilizată:
Pomparea optică a laserului, de regulă, se realizează din partea mediului de lucru al laserului. Laserele sunt cel mai adesea cu stare solidă (prezentate ca o tijă de cristal sau sticlă activată de impurități) sau lasere colorante (sub formă de soluție lichidă de colorant într-un tub de sticlă sau un jet de soluție de colorant („pompare transversală”)). Pentru utilizarea cât mai eficientă a energiei de radiație, lampa și mediul activ sunt amplasate într-o cavitate cu suprafață oglindă, care direcționează cea mai mare parte a luminii lămpii către mediul de lucru. Laserele pompate cu lămpi de mare putere sunt răcite cu lichid. Dispozitivele emițătoare de lumină cu semiconductor sunt montate pe un radiator .
Pomparea unui laser cu un alt laser este utilizată atunci când spectrul sau puterea de ieșire a laserului dorit nu se potrivește cu laserele disponibile. În acest caz, o pereche este selectată dintre laserul disponibil și fluidul de lucru. Laserul luminează fluidul de lucru în spectrul său de radiații, iar fluidul de lucru radiază în spectrul necesar. Puterea de radiație este crescută prin iradierea corpului de lucru cu mai multe lasere de putere redusă. O varietate de astfel de lasere ( laser cu stare solidă pompat cu diode , ing. DPSS ) este utilizată pe scară largă sub formă de pointeri laser de diferite culori. Pomparea cu laser (mai degrabă decât un LED convențional) simplifică sistemul de focalizare a radiației pompei pe corpul de lucru, reducând dimensiunile și sporind eficiența designului. Laserele cu fibră puternice bazate pe un principiu similar sunt comune în industrie.
Pomparea directă a laserelor prin curent electric a fost elaborată pentru două tipuri de lasere: gaz (descărcare electrică în corpul de lucru al laserului) și semiconductor.
Laserele cu gaz sunt de obicei un tub de sticlă umplut cu un gaz special sau un amestec de gaze. Sub impactul electronilor, moleculele de gaz devin excitate, eliberând energia primită sub formă de radiație fotonică. Pentru a excita mediul de lucru al unor astfel de lasere, se folosesc aceleași metode ca și pentru aprinderea lămpilor convenționale cu descărcare în gaz : Crearea unei descărcări electrice între electrozii introduși în tub.
Un laser semiconductor este un dispozitiv semiconductor, direct în structura căruia radiația laser are loc sub acțiunea unui curent electric. Pentru această clasă de lasere, pomparea curentului electric este metoda principală.
Un laser gaz-dinamic constă dintr-o duză prin care gazul supraîncălzit la 1.500 de grade iese cu viteză supersonică (până la Mach 4) . Expansiunea instantanee și răcirea adiabatică a gazului lasă un număr semnificativ de molecule în gaz într-o stare excitată. Mai mult, fluidul de lucru intră într-o structură similară cu laserele cu gaz, unde moleculele excitate trec în starea fundamentală, participând la emisia stimulată. Adesea, proiectarea unui astfel de laser se bazează pe motoare cu turboreacție de avioane sau pe motoare rachetă. Principiul gaz-dinamic al pompei, în ciuda eficienței scăzute, poate produce radiații laser de ultraînaltă energie (până la megawați) atât în modul pulsat, cât și în modul continuu. [8] [9] [10] [11] [12]
Laserele care utilizează energia unei reacții chimice sunt un tip de lasere cu gaz, prin zona de lucru a cărora reactivii gazoși sunt pompați continuu. Într-o reacție chimică între reactanți, moleculele se formează într-o stare excitată, care trec în starea fundamentală cu emisia unui foton. Laserele cu gaz pot produce puteri mari de ieșire cu dimensiuni relativ compacte. Una dintre problemele laserelor cu gaz este respectarea slabă a mediului din cauza gazelor de evacuare toxice abundente.
Energia unei explozii nucleare este cea mai exotică modalitate de a pompa lasere. Orice substanță din epicentrul exploziei se transformă în plasmă, care, răcindu-se, formează din nou atomi, dar deja excitați. Dacă o tijă lungă este prefabricată din substanța inițială, atunci se pot forma în ea condiții în direcția de-a lungul axei pentru apariția radiațiilor stimulate generate ca urmare a tranziției atomilor la starea fundamentală. Evident, un astfel de laser este pulsat și de unică folosință. Energia enormă predetermina raza X a radiației.