Was sind Laserpumpen?
Laserpumpen die Zufuhr von Energie in ein Lasersystem eine Besetzungsinversion zu erzeugen, bei der sich mehr Atome oder Moleküle im angeregter Zustand im Grundzustand befinden. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit der stimulierten Lichtemission und ermöglicht das Lasern.
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Je nach Lasertyp kann die Anregung durch verschiedene Methoden erfolgen, darunter optische, elektrische und chemische Anregung. Unabhängig von der verwendeten Pumpmethode ist der Schlüssel zur Erzeugung der Laserwirkung die Erzeugung einer Besetzungsinversion Verstärkungsmedium. Das liegt daran, dass die Laserwirkung auf einem von Einstein erstmals beschriebenen Prozess beruht, der als stimulierte Emission bezeichnet wird. Diese tritt auf, wenn ein angeregtes Atom oder Molekül im Verstärkungsmedium durch ein einfallendes Photon angeregt wird, ein zweites Photon mit derselben Wellenlänge Phase zu emittieren.
Dieser Verstärkungsprozess führt zu kohärentem Licht, das in Phase ist und eine einzige Wellenlänge Richtung aufweist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das angeregte Teilchen eine stimulierte Emission durchläuft, hängt jedoch sehr stark davon ab, wie viele angeregte Teilchen vorhanden sind. Daher müssen sich im angeregter Zustand mehr davon befinden angeregter Zustand im Grundzustand. Andernfalls dominieren andere Mechanismen, und die eingepumpte Energie geht stattdessen als Wärme oder zufälliges Licht (spontane Emission) verloren. Der Übergangspunkt wird manchmal als Pumpschwelle bezeichnet.
Schauen wir uns einmal an, wie das bei den gängigsten Lasertypen funktioniert.
Lasertypen werden in der Regel nach der Wahl ihres Verstärkungsmediums klassifiziert. Dabei handelt es sich um das Material, das die Pumpleistung tatsächlich in Laserlicht umwandelt. Das Verstärkungsmedium kann ein Festkörperkristall oder Glas, ein Halbleiter , ein Gasplasma oder eine Flüssigkeit sein.
Optisches Pumpen von Festkörperlasern
Beim optischen Pumpen muss das Anregungslicht eine Wellenlänge aufweisen, Wellenlänge mit dem Absorption des Verstärkungsmediums übereinstimmt. Wenn das Verstärkungsmedium das Anregungslicht absorbiert, werden seine Elektronen auf höhere Energieniveaus angehoben, was zu einer Besetzungsinversion führt.
Das optische Pumpen ist die gängigste Methode zum Pumpen von Festkörperlasern, bei denen das Verstärkungsmedium aus einem Stück Glas oder Kristall besteht. Viele Jahre lang wurde das Anregungslicht von intensiven Blitzlampen geliefert, also Lichtquellen mit hoher Intensität, die kurze Lichtimpulse aussenden. Blitzlampen strahlen in der Regel intensives weißes Licht aus, das dann auf das Verstärkungsmedium fokussiert wird. Der allererste Laser war ein Festkörperlaser Art: ein durch eine Blitzlampe gepumpter Rubinlaser.
Diode Festkörperlaser (DPSS)
Leider erzeugen Blitzlampen Licht über ein breites Wellenlängenspektrum, während ein Festkörper-Verstärkungsmedium in der Regel nur bei einer oder mehreren ganz bestimmten Wellenlängen absorbiert. Daher wird der größte Teil der Energie der Blitzlampen in Wärme umgewandelt. Dies erfordert eine aktive Wasserkühlung. Außerdem schränkt dies die Möglichkeit ein, die Laserleistung anzupassen, ohne die Qualität des Ausgangsstrahls zu beeinträchtigen, da ein als „thermische Linseneffekte“ bezeichnetes Problem auftritt.
Eine Lösung für dieses Erwärmungsproblem wurde gefunden, indem die Blitzlampen durch Diode ersetzt wurden, also elektrisch gepumpte Halbleiter – siehe unten. Die Diode sind so ausgelegt, dass sie Licht nur bei der Wellenlänge erzeugen, Wellenlänge das Festkörper-Verstärkungsmedium bekanntermaßen Licht absorbiert. Dieser Lasertyp wird – wenig überraschend – als Diode Festkörperlaser (DPSS-Laser) bezeichnet.
Optisches Pumpen anderer Laser
In einem Farbstofflaser liegt das Verstärkungsmedium in flüssiger Form vor: ein Lösungsmittel, das einen fluoreszierenden Farbstoff enthält. Diese Laser werden optisch gepumpt, manchmal durch einen anderen Laser, manchmal durch Blitzlampen. Farbstofflaser waren stets eine Nischentechnologie und wurden früher aufgrund ihrerAbstimmbarkeit in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Heute werden jedoch für die meisten Anwendungen, die Wellenlänge erfordern, Festkörperalternativen auf Titanbasis verwendet: sapphire Ti:S) oder Ytterbium-Verstärkungsmedien. Durch Blitzlampen gepumpte gepulste Farbstofflaser kommen jedoch gelegentlich in einigen Nischenanwendungen wie der Lithotripsie zum Einsatz.
sapphire sind Festkörperlaser, bei denen das Verstärkungsmedium aus einem mit Ionen dotierten sapphire besteht. Diese Laser werden durch einen grünen Laser optisch gepumpt. Sie finden in der Wissenschaft breite Anwendung, da ihr breiter Wellenlänge Anwendungen ermöglicht, die Abstimmbarkeit einfache Abstimmbarkeit erfordern, wie beispielsweise die Fluoreszenzmikroskopie und Durchflusszytometrie. Außerdem ermöglicht er den gepulsten Betrieb mit Impulsen von nur wenigen Femtosekunden unter Verwendung einer Methode, die als Modenkopplung bezeichnet wird.
Andere Laser nutzen die optische Anregung durch Diode , darunter mit Ytterbium dotiertes Glas und mit Ytterbium dotierte Fasern, sowie Laser, die auf mit anderen Seltenerdmetallen dotierten Fasern basieren.
Elektrische Ansteuerung von Gaslasern
Das elektrische Pumpen ist eine weitere Methode der Laserpumpen; dabei wird ein elektrischer Strom durch das Verstärkungsmedium geleitet, um die Atome oder Moleküle anzuregen. Dies ist der Pumpmechanismus, der in praktisch allen Gaslasern zum Einsatz kommt, bei denen der Stromfluss durch ein Niederdruckgas ein Plasma erzeugt.
Zur Energieversorgung von Excimer-Lasern wird elektrisches Pumpen eingesetzt. Dabei handelt es sich um leistungsstarke Gaslaser, die Impulse von tiefem UV-Laserlicht mit sehr hohen Impulsenergien emittieren. Das einzigartige Leistungsspektrum von Excimer-Lasern ist entscheidend für mehrere kritische Prozesse bei der Herstellung von Hochleistungsdisplays, darunter solche auf Basis von OLED- und den neuesten Mikro-OLED-Technologien. Excimer-Laser werden auch bei refraktiven Augenbehandlungen (z. B. LASIK) zur Korrektur von Sehstörungen eingesetzt. Darüber hinaus etablieren sie sich zunehmend als wichtige Laserquellen in vielen aufkommenden Anwendungen gepulste Laserabscheidung PLD).
Dauerstrich-Gaslaser (CW) wie Argon-Ionen-Laser und Helium-Neon-Laser waren herausragende Beispiele für Laser, die auf elektrischer Anregung basierten und einst die Laseranwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich dominierten. Obwohl sie einen hochwertigen Strahl erzeugten, sind sie aufgrund ihrer begrenzten Wellenlänge und ihres extrem geringen elektrischen Wirkungsgrads heute nur noch Nischenprodukte. Ihre früheren Anwendungsbereiche werden heute oft von Halbleiter , DPSS-Lasern oder optisch gepumpten Halbleiter (OPSLs) abgedeckt – siehe unten.
Elektrische Ansteuerung von Halbleiter
Elektrisches Pumpen wird häufig in Diode eingesetzt, die oft auch als Halbleiter bezeichnet werden, wobei ein p-n-Übergang genutzt wird, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Ein p-n-Übergang ist eine Grenze zwischen zwei Arten von Halbleitern, wobei der Halbleiter einen Überschuss an positiv geladenen Löchern und der Halbleiter einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen Halbleiter . Wenn eine Spannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den Halbleiter injiziert, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht Besetzungsinversion Laserlicht erzeugt wird.
Aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer relativ niedrigen Kosten sind Diode heute der mit Abstand am häufigsten verwendete Lasertyp mit elektrischer Anregung. Die Diode selbst werden zudem in großem Umfang zum Anregen anderer Lasertypen eingesetzt. Diode kommen zudem direkt in Anwendungen wie dem Kunststoffschweißen und der Metallbeschichtung bzw. -härtung zum Einsatz.
Optisch gepumpte Halbleiter
Dies führt uns zu einem wichtigen und einzigartigen Lasertyp, dem optisch gepumpten Halbleiter (OPSL). Dieser Laser enthält einen speziellen Halbleiter , der nicht durch elektrischen Strom, sondern durch das Licht eines oder mehrerer Diode gepumpt wird. Der OPSL bietet mehrere einzigartige Vorteile. Seine Halbleiter kann für jede beliebige Wellenlänge einen weiten Bereich des nahen Infrarotspektrums ausgelegt werden. Die Wellenlänge dann frequenzverdoppelt werden, um sichtbares Licht zu erzeugen, oder sogar frequenzverdreifacht, um UV-Licht zu liefern, was den Anwendern eine unübertroffene Auswahl an Wellenlängen bietet. Ebenso wichtig ist, dass die Ausgangsleistung von wenigen Milliwatt bis zu 20 Watt skaliert werden kann.
Beispiele für OPSLs sind unter anderem die Verdi, Sapphire, Genesisund OBIS-Laserfamilien von Coherent. Diese Laser finden breite Anwendung in den Biowissenschaften, insbesondere in Durchflusszytometrie der konfokalen Mikroskopie. OPSLs werden auch in spektakulären mehrfarbigen Laserlichtshows eingesetzt, da sie eine breitere Farbpalette ermöglichen als jeder andere Lasertyp.
Förderung von Chemikalien
Das chemische Pumpen ist eine selten angewandte Methode der Laserpumpen, bei der eine chemische Reaktion genutzt wird, um eine Besetzungsinversion Verstärkungsmedium zu erzeugen. Das chemische Pumpen kommt in sehr speziellen Gaslasern zum Einsatz, bei denen eine chemische Reaktion genutzt wird, um die Atome oder Moleküle im Gas anzuregen. Die gängigste Methode des chemischen Pumpens ist die Verbrennung von Wasserstoff- und Fluorgas in einem chemischen Laser, was zu einer Besetzungsinversion Laserlicht führt.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserpumpen einen entscheidenden Prozess bei der Erzeugung von kohärentem, hochintensivem Licht in Lasersystemen Laserpumpen . Unabhängig davon, ob dies auf optischem, elektrischem oder chemischem Wege geschieht, Laserpumpen der Schlüssel zum Laserpumpen der Erzeugung einer Besetzungsinversion Verstärkungsmedium, die die stimulierte Emission und die Erzeugung von Laserlicht ermöglicht.