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Essentiellement, le pompage laser est le processus consistant à alimenter un milieu pour atteindre un état dans lequel il peut émettre de la lumière laser. Cela se fait généralement en injectant de la lumière ou un courant électrique dans le milieu, excitant ses atomes et conduisant à l’émission d’une lumière cohérente. Ce processus fondamental a considérablement évolué depuis l’avènement des premiers lasers au milieu du XXe siècle.
Bien que souvent modélisé par des équations de vitesse, le pompage laser est fondamentalement un processus de mécanique quantique. Cela implique des interactions complexes entre les photons et la structure atomique ou moléculaire du milieu de gain. Les modèles avancés prennent en compte des phénomènes tels que les oscillations de Rabi, qui permettent une compréhension plus nuancée de ces interactions.
Le pompage laser est un processus par lequel de l'énergie, généralement sous forme de lumière ou de courant électrique, est fournie au milieu de gain d'un laser pour élever ses atomes ou molécules vers des états d'énergie plus élevés. Ce transfert d'énergie est crucial pour réaliser l'inversion de population, un état dans lequel davantage de particules sont excitées que dans un état d'énergie plus faible, permettant au milieu d'amplifier la lumière via une émission stimulée. Le processus implique des interactions quantiques complexes, souvent modélisées par des équations de taux ou des cadres de mécanique quantique plus avancés. Les aspects clés incluent le choix de la source de pompe (comme les diodes laser ou les lampes à décharge), la géométrie de la pompe (pompage latéral ou final) et l'optimisation des caractéristiques de la lumière de la pompe (spectre, intensité, qualité du faisceau, polarisation) pour répondre aux exigences spécifiques du système. gain moyen. Le pompage laser est fondamental dans divers types de laser, notamment les lasers à semi-conducteurs, à semi-conducteurs et à gaz, et est essentiel au fonctionnement efficace et efficient du laser.
Variétés de lasers à pompage optique
1. Lasers à semi-conducteurs avec isolateurs dopés
· Aperçu:Ces lasers utilisent un milieu hôte électriquement isolant et s'appuient sur un pompage optique pour dynamiser les ions actifs du laser. Un exemple courant est le néodyme dans les lasers YAG.
·Recherche récente :Une étude de A. Antipov et al. discute d'un laser proche IR à semi-conducteurs pour le pompage optique à échange de spin. Cette recherche met en évidence les progrès de la technologie des lasers à semi-conducteurs, en particulier dans le spectre proche infrarouge, crucial pour des applications telles que l'imagerie médicale et les télécommunications.
Lectures complémentaires :Un laser proche infrarouge à semi-conducteurs pour le pompage optique à échange de spin
2. Lasers à semi-conducteurs
·Informations générales : Généralement pompés électriquement, les lasers à semi-conducteurs peuvent également bénéficier du pompage optique, en particulier dans les applications nécessitant une luminosité élevée, telles que les lasers à émission par la surface à cavité externe verticale (VECSEL).
·Développements récents : Les travaux de U. Keller sur les peignes de fréquence optique issus de lasers à semi-conducteurs et à semi-conducteurs ultrarapides donnent un aperçu de la génération de peignes de fréquence stables à partir de lasers à semi-conducteurs et à semi-conducteurs pompés par diodes. Cette avancée est significative pour les applications en métrologie des fréquences optiques.
Lectures complémentaires :Peignes de fréquence optique issus de lasers ultrarapides à semi-conducteurs et à semi-conducteurs
3. Lasers à gaz
·Pompage optique dans les lasers à gaz : Certains types de lasers à gaz, comme les lasers à vapeur alcaline, utilisent un pompage optique. Ces lasers sont souvent utilisés dans des applications nécessitant des sources de lumière cohérentes aux propriétés spécifiques.
Sources pour le pompage optique
Lampes à décharge: Courantes dans les lasers à lampe pompée, les lampes à décharge sont utilisées pour leur puissance élevée et leur large spectre. YA Mandryko et al. développé un modèle de puissance de génération de décharges d'arc impulsionnelles dans des lampes au xénon à pompage optique à milieu actif de lasers à semi-conducteurs. Ce modèle permet d'optimiser les performances des lampes à pompage à impulsion, cruciales pour un fonctionnement efficace du laser.
Diodes laser:Utilisées dans les lasers pompés par diodes, les diodes laser offrent des avantages tels qu'un rendement élevé, une taille compacte et la possibilité d'un réglage précis.
Lectures complémentaires :qu'est-ce qu'une diode laser ?
Lampes flash: Les lampes flash sont des sources de lumière intenses à large spectre qui sont couramment utilisées pour pomper des lasers à solide, tels que les lasers à rubis ou Nd:YAG. Ils fournissent un éclat de lumière de haute intensité qui excite le milieu laser.
Lampes à arc: Semblables aux lampes flash mais conçues pour un fonctionnement continu, les lampes à arc offrent une source constante de lumière intense. Ils sont utilisés dans les applications où un fonctionnement laser à onde continue (CW) est requis.
LED (diodes électroluminescentes): Bien qu'elles ne soient pas aussi courantes que les diodes laser, les LED peuvent être utilisées pour le pompage optique dans certaines applications à faible consommation. Ils sont avantageux en raison de leur longue durée de vie, de leur faible coût et de leur disponibilité dans différentes longueurs d'onde.
Soleil: Dans certaines configurations expérimentales, la lumière solaire concentrée a été utilisée comme source de pompage pour les lasers à pompage solaire. Cette méthode exploite l’énergie solaire, ce qui en fait une source renouvelable et rentable, même si elle est moins contrôlable et moins intense que les sources de lumière artificielle.
Diodes laser couplées à des fibres: Ce sont des diodes laser couplées à des fibres optiques, qui délivrent plus efficacement la lumière de pompe au milieu laser. Cette méthode est particulièrement utile dans les lasers à fibre et dans les situations où une transmission précise de la lumière de pompage est cruciale.
Autres Lasers: Parfois, un laser est utilisé pour en pomper un autre. Par exemple, un laser Nd:YAG à fréquence doublée pourrait être utilisé pour pomper un laser à colorant. Cette méthode est souvent utilisée lorsque des longueurs d'onde spécifiques sont requises pour le processus de pompage, ce qui n'est pas facile à réaliser avec des sources lumineuses conventionnelles.
Laser à semi-conducteurs pompé par diode
Source d'énergie initiale: Le processus commence par une diode laser, qui sert de source de pompe. Les lasers à diode sont choisis pour leur efficacité, leur taille compacte et leur capacité à émettre de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques.
Lumière de la pompe :La diode laser émet une lumière qui est absorbée par le milieu de gain à l'état solide. La longueur d'onde de la diode laser est adaptée pour correspondre aux caractéristiques d'absorption du milieu à gain.
État solideGain moyen
Matériel:Le milieu de gain dans les lasers DPSS est généralement un matériau à l'état solide comme le Nd:YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme), le Nd:YVO4 (Orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme) ou le Yb:YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium dopé à l'ytterbium).
Dopage :Ces matériaux sont dopés avec des ions de terres rares (comme Nd ou Yb), qui sont les ions actifs du laser.
Absorption d'énergie et excitation :Lorsque la lumière de pompage de la diode laser pénètre dans le milieu à gain, les ions de terres rares absorbent cette énergie et sont excités vers des états d'énergie plus élevés.
Inversion de la population
Réaliser l’inversion de la population :La clé de l’action du laser consiste à réaliser une inversion de population dans le milieu à gain. Cela signifie qu’il y a plus d’ions dans un état excité que dans un état fondamental.
Émission stimulée :Une fois l’inversion de population réalisée, l’introduction d’un photon correspondant à la différence d’énergie entre les états excité et fondamental peut stimuler le retour des ions excités à l’état fondamental, émettant ainsi un photon.
Résonateur optique
Miroirs : Le milieu de gain est placé à l'intérieur d'un résonateur optique, généralement formé de deux miroirs à chaque extrémité du milieu.
Rétroaction et amplification : l'un des miroirs est hautement réfléchissant et l'autre est partiellement réfléchissant. Les photons rebondissent entre ces miroirs, stimulant davantage d’émissions et amplifiant la lumière.
Émission laser
Lumière cohérente : les photons émis sont cohérents, ce qui signifie qu'ils sont en phase et ont la même longueur d'onde.
Résultat : Le miroir partiellement réfléchissant laisse passer une partie de cette lumière, formant le faisceau laser qui sort du laser DPSS.
Géométries de pompage : pompage latéral ou pompage final
| Méthode de pompage | Description | Applications | Avantages | Défis |
|---|---|---|---|---|
| Pompage latéral | Lumière de pompe introduite perpendiculairement au milieu laser | Lasers à tige ou à fibre | Répartition uniforme de la lumière de la pompe, adaptée aux applications à haute puissance | Répartition du gain non uniforme, qualité du faisceau inférieure |
| Fin du pompage | Lumière de pompage dirigée le long du même axe que le faisceau laser | Lasers à semi-conducteurs comme Nd:YAG | Répartition uniforme du gain, qualité de faisceau supérieure | Alignement complexe, dissipation thermique moins efficace dans les lasers haute puissance |
Exigences pour une lumière de pompe efficace
| Exigence | Importance | Impact/Équilibre | Notes complémentaires |
|---|---|---|---|
| Adéquation du spectre | La longueur d'onde doit correspondre au spectre d'absorption du milieu laser | Assure une absorption efficace et une inversion efficace de la population | - |
| Intensité | Doit être suffisamment élevé pour le niveau d’excitation souhaité | Des intensités trop élevées peuvent provoquer des dommages thermiques ; trop bas ne réalisera pas l’inversion de la population | - |
| Qualité du faisceau | Particulièrement critique dans les lasers pompés en extrémité | Assure un couplage efficace et contribue à la qualité du faisceau laser émis | La qualité des feux de route est cruciale pour un chevauchement précis de la lumière de la pompe et du volume du mode laser |
| Polarisation | Requis pour les médias ayant des propriétés anisotropes | Améliore l'efficacité de l'absorption et peut affecter la polarisation de la lumière laser émise | Un état de polarisation spécifique peut être nécessaire |
| Intensité Bruit | De faibles niveaux de bruit sont essentiels | Les fluctuations de l'intensité lumineuse de la pompe peuvent affecter la qualité et la stabilité de la sortie laser. | Important pour les applications nécessitant une stabilité et une précision élevées |
Heure de publication : 01 décembre 2023