Laserpumpning er processen med at pumpe energi fra en ekstern kilde ind i en lasers arbejdsmiljø . Den absorberede energi omsætter arbejdsmediets atomer til en exciteret tilstand . Når antallet af atomer i den exciterede tilstand overstiger antallet af atomer i grundtilstanden , sker der en befolkningsinversion . I denne tilstand begynder mekanismen for stimuleret emission at fungere, og laserstråling eller optisk forstærkning forekommer . Pumpens effekt skal overstige lasergenereringstærsklen . Pumpeenergi kan leveres i form af lys , elektrisk strøm , energi af kemiske eller nukleare reaktioner, termisk eller mekanisk energi.
Det klassiske tre-niveau system til pumpning af arbejdsmediet bruges for eksempel i en rubinlaser. Ruby er en krystal af Al 2 O 3 korund doteret med en lille mængde Cr 3+ chromioner , som er kilden til laserstråling. På grund af påvirkningen af det elektriske felt i krystalgitteret af korund opdeles det ydre energiniveau af chrom E 2 (se Stark-effekten ). Det er det, der gør det muligt at bruge ikke-monokromatisk stråling som pumpe. [1] I dette tilfælde går atomet fra grundtilstanden med energi E 0 til en exciteret tilstand med energi omkring E 2 . Et atom kan forblive i denne tilstand i relativt kort tid (i størrelsesordenen 10-8 s), en ikke-strålingsovergang til E 1 -niveauet sker næsten øjeblikkeligt , hvorved atomet kan forblive meget længere (op til 10-3 s. ), dette er det såkaldte metastabile niveau . Der er mulighed for implementering af induceret emission under påvirkning af andre tilfældige fotoner. Så snart der er flere atomer i den metastabile tilstand end i hovedsagen, begynder genereringsprocessen [2] [3] .
Det er umuligt at skabe en populationsinversion af Cr-atomer ved at pumpe direkte fra E 0 -niveauet til E 1 -niveauet . Dette skyldes det faktum, at hvis absorption og stimuleret emission forekommer mellem to niveauer, så forløber begge disse processer med samme hastighed. Derfor kan pumpning i dette tilfælde kun udligne populationerne på de to niveauer, hvilket ikke er nok til, at generation kan opstå [1] .
I nogle lasere, for eksempel i neodym-lasere, hvor stråling genereres på Nd 3+ neodym -ioner , anvendes et fire-niveau pumpeskema. Her er der mellem den metastabile E 2 og hovedniveauet E 0 et mellemliggende arbejdsniveau E 1 . Stimuleret emission opstår, når et atom passerer mellem niveauerne E 2 og E 1 . Fordelen ved denne ordning er, at det i dette tilfælde er let at opfylde den omvendte befolkningsbetingelse, da levetiden for det øvre arbejdsniveau ( E 2 ) er flere størrelsesordener længere end levetiden for det nederste niveau ( E 1 ). Dette reducerer kravene til pumpekilden markant. [2] Derudover giver en sådan ordning dig mulighed for at skabe højeffektlasere, der fungerer i en kontinuerlig tilstand, hvilket er meget vigtigt for nogle applikationer. [4] Sådanne lasere har imidlertid en væsentlig ulempe i form af lav kvanteeffektivitet, som er defineret som forholdet mellem energien af den udsendte foton og energien af den absorberede pumpefoton (η kvante = hν stråling / hν pumpe )
Optisk pumpning af en laser indebærer tilstedeværelsen af en lyskilde, et optisk system til at koncentrere dette lys på laserens arbejdslegeme og laserens faktiske arbejdslegeme. Lampetypen og laserens arbejdslegeme skal matche hinanden med hensyn til henholdsvis emissions- og absorptionsspektre. Lyskilden bruges normalt:
Optisk pumpning af laseren udføres som regel fra siden af laserens arbejdsmedium. Lasere er oftest solid-state (præsenteret som en stang af krystal eller urenhedsaktiveret glas) eller farvestoflasere (i form af en flydende farvestofopløsning i et glasrør eller en stråle af farvestofopløsning ("tværpumpning"). For den mest effektive udnyttelse af strålingsenergien er lampen og det aktive medie placeret i et hulrum med en spejlflade, som leder det meste af lampens lys ind på arbejdsmediet. Højeffekt lampepumpede lasere er væskekølede. Halvleder lysemitterende enheder er monteret på en køleplade .
At pumpe en laser med en anden laser bruges, når spektret eller udgangseffekten af den ønskede laser ikke svarer til de tilgængelige lasere. I dette tilfælde vælges et par fra den tilgængelige laser og arbejdsvæsken. Laseren belyser arbejdsvæsken i dets strålingsspektrum, og arbejdsvæsken udstråler i det nødvendige spektrum. Strålingseffekten øges ved at bestråle arbejdslegemet med flere laveffektlasere. En række af sådanne lasere ( diodepumpet solid-state laser , eng. DPSS ) er meget udbredt i form af laserpointere i forskellige farver. Pumping med en laser (i stedet for en konventionel LED) forenkler systemet til at fokusere pumpestrålingen på arbejdslegemet, reducere dimensionerne og øge effektiviteten af designet. Kraftige fiberlasere baseret på et lignende princip er almindelige i industrien.
Direkte pumpning af lasere med elektrisk strøm er blevet udarbejdet for to typer lasere: gas (elektrisk udladning i laserens arbejdslegeme) og halvleder.
Gaslasere er normalt et glasrør fyldt med en speciel gas eller blanding af gasser. Under påvirkning af elektroner bliver gasmolekyler exciterede og frigiver den modtagne energi i form af fotonstråling. For at excitere arbejdsmediet af sådanne lasere anvendes de samme metoder som til antændelse af konventionelle gasudladningslamper : Skaber en elektrisk udladning mellem elektroder indsat i røret.
En halvlederlaser er en halvlederenhed, direkte i hvis struktur laserstråling opstår under påvirkning af en elektrisk strøm. For denne klasse af lasere er elektrisk strømpumpning hovedmetoden.
En gasdynamisk laser består af en dyse, gennem hvilken gas, der er overophedet til 1.500 grader, kommer ud ved supersonisk hastighed (op til Mach 4) . Den øjeblikkelige ekspansion og adiabatiske afkøling af gassen efterlader et betydeligt antal molekyler i gassen i en exciteret tilstand. Yderligere kommer arbejdsvæsken ind i en struktur svarende til gaslasere, hvor de exciterede molekyler passerer ind i grundtilstanden og deltager i stimuleret emission. Ofte er designet af en sådan laser baseret på fly turbojetmotorer eller raketmotorer. Det gasdynamiske pumpeprincip kan på trods af den lave effektivitet producere ultrahøjenergi laserstråling (op til megawatt) i både pulserende og kontinuerlig tilstand. [8] [9] [10] [11] [12]
Lasere, der bruger energien fra en kemisk reaktion, er en type gaslasere, gennem arbejdsområdet, hvor gasformige reagenser kontinuerligt pumpes. I en kemisk reaktion mellem reaktanter dannes molekyler i exciteret tilstand, som går over i grundtilstanden med udsendelse af en foton. Gaslasere kan producere høje udgangseffekter med relativt kompakte dimensioner. Et af problemerne med gaslasere er dårlig miljøvenlighed på grund af rigelig giftig udstødning.
Energien fra en atomeksplosion er den mest eksotiske måde at pumpe lasere på. Ethvert stof i epicentret af eksplosionen bliver til plasma, som ved afkøling igen danner atomer, men allerede ophidset. Hvis en lang stang er præfabrikeret af det oprindelige stof, kan der dannes betingelser i den i retning langs aksen for forekomsten af stimuleret stråling genereret som følge af overgangen af atomer til grundtilstanden. Det er klart, at en sådan laser er pulseret og til engangsbrug. Enorme energi forudbestemmer røntgenområdet for stråling.