泵浦_百度百科

发布者:admin 发布时间:2019-10-22 23:08 浏览次数:

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  泵浦是一种使用光将电子原子分子中的较低能级升高(或“泵”)到较高能级的过程。通常用于激光结构,泵浦激光介质以实现群体反转。这项技术是由1966年的诺贝尔奖获得者阿尔弗雷德·卡斯特勒(Alfred Kastler)于20世纪50年代初开发的。

  泵浦是一种使用光将电子原子分子中的较低能级升高(或“泵”)到较高能级的过程。通常用于激光结构,泵浦激光介质以实现群体反转。这项技术是由1966年的诺贝尔奖获得者阿尔弗雷德·卡斯特勒(Alfred Kastler)于20世纪50年代初开发的。

  泵浦也用于循环地将在原子或分子内键合的电子泵送到明确定义的量子态。对于包含单个外壳电子的原子物质的相干双层光泵浦的最简单的情况来说,这意味着电子被连贯地泵送到一个超精细次能级(标记为

  ),这是由泵激光器的偏振和量子选择规则所定义的。在光泵浦时,原子被称为定向在特定的

  ,然而,由于光泵浦的循环性质,结合的电子实际上将在上和下状态子电平之间经历重复的激发和衰减。泵浦激光器的频率和偏振决定了它的

  在实践中,完全相干的光泵浦可能不会发生,因为过渡的谱线宽度和超精细结构捕获和辐射捕获等不良影响。因此,原子的方向更一般地依赖于激光的频率、强度、偏振、光谱带宽以及吸收跃迁的线宽和过渡概率。

  在物理本科实验室中,通常会发现一种光学泵浦实验,使用铷气体同位素和显示射频(MHz)电磁辐射的能力来有效地泵和释放这些同位素。

  用弧光灯或闪光灯泵浦的激光通常通过激光介质的侧壁泵送,激光介质通常以包含金属杂质的晶棒的形式或含有液体染料的玻璃管的形式,被称为“侧面泵浦”。 为了最有效地使用灯的能量,灯和激光介质被包含在反射腔中,其将大多数灯的能量重新定向到棒或染料单元中。

  在最常见的配置中,增益介质以一根芯棒的形式存在,它位于一个镜面腔的一个焦点上,由一个椭圆横截面垂直于芯棒的轴组成。闪光灯泵浦是位于椭圆的另一个焦点的管。选择反射镜的涂层来反射比激光输出短的波长,同时吸收或发射相同或更长的波长,以尽量减少热透镜。在其他情况下,使用较长波长的吸收体。通常,灯被称为流管的圆柱形套管包围。该流管通常由玻璃制成,它能吸收不适当的波长,例如紫外线,或提供吸收红外线的路径。通常,夹套被赋予将不合适的波长的光反射回灯的电介质涂层。这种光被吸收,其中一些被以适当的波长重新发射。流动管还用于在灯泡出现剧烈故障的情况下保护杆。

  较小的椭圆形产生较少的反射(称为“紧耦合”),在芯棒的中心提供更高的强度。对于单个闪光灯,如果灯和芯棒的直径相等,则椭圆是其高度的两倍的椭圆通常在将光成像到芯棒中是最有效的。芯棒和灯相对较长以最小化端面处的损耗的影响并提供足够长的增益介质。由于较高的阻抗,较长的闪光灯也将电能转换成光能更有效。

  然而,如果芯棒相对于其直径太长,则可能会发生称为“预拉伸”的情况,从而消除芯棒的能量,才能正确地建立。杆端通常是以布鲁斯特角度涂覆或切割的抗反射,以最小化这种影响。平面镜也经常用在泵腔的端部以减少损耗。

  该设计的变化使用由重叠的椭圆形构成的更复杂的反射镜,以允许多个闪光灯泵浦送单个芯棒。这允许更大的功率,但是效率较低,因为不是所有的光都被正确地成像到杆中,导致增加的热损失。通过使用紧密耦合的腔体可以使这些损失最小化。然而,这种方法可能允许更对称的泵浦,增加光束质量。

  另一种结构在由漫反射材料制成的空腔中使用棒和闪光灯,例如光泽或粉末状硫酸钡。这些腔通常是圆形或长圆形的,因为聚焦光不是主要目的。这不会将光耦合到激光介质中,因为光线在到达芯棒之前会发生许多反射,但通常比金属反射器需要更少的维护。弥散培养基反射率较高的反射率增加了99%,金镜为97%。这种方法与未抛光的棒或多个灯更相容。

  当沿除了芯棒的长度以外的方向产生反射时,发生寄生模式,这可能会使用否则可用于光束的能量。如果棒的筒被抛光,这可能是一个特殊的问题。圆柱形激光棒由于杆和冷却水之间的全内反射而支持耳语画廊模式,其连续地反映在圆周周围。光管模式可以以锯齿形路径反射芯棒的长度。如果棒具有抗反射涂层,或者浸入与其折射率相匹配的流体中,则可以显着减少这些反射。同样地,如果芯棒是粗磨(磨砂)或开槽的,则可以分散内部反射。

  用单个灯进行泵送往往将大部分能量集中在一侧,使光束轮廓变差。杆通常具有磨砂桶,以漫射光,从而在整个芯棒上提供更均匀的光分布。这允许在整个增益介质中更多的能量吸收用于更好的横向模式。磨砂流管或漫反射器,同时导致降低的转印效率,有助于增加这种效果,提高增益。

  选择激光主体材料具有低吸收;只有掺杂剂吸收。因此,任何未被掺杂吸收的频率的光将返回到灯中并重新加热等离子体,从而缩短灯的寿命。

  闪光灯是激光器最早的能源。它们用于固态和染料激光器中的高脉冲能量。它们产生广泛的光,导致大部分能量作为增益介质中的热浪费。闪光灯的寿命也往往很短。第一个激光由围绕红宝石棒的螺旋闪光灯组成。

  石英闪光灯是用于激光器的最常见的类型,并且在低能量或高重复率下,可以在高达900℃的温度下工作。较高的平均功率或重复频率需要水冷。水通常不仅必须洗涤灯的弧长,而且还必须穿过玻璃的电极部分。水冷闪光灯通常用电极周围的玻璃缩小制造,以允许钨的直接冷却。如果允许电极加热比玻璃热得多,热膨胀会破裂密封。

  灯泡使用寿命主要取决于特定灯泡的能量。低能量产生溅射,其可以从阴极去除材料并将其重新沉积在玻璃上,产生变暗的镜面外观。低能量下的预期寿命可能是非常不可预测的。高能量导致壁面消融,这不仅使玻璃呈现出多云的外观,而且还使其结构变薄并释放氧气,影响压力,但在这些能量水平下,可以以相当大的精度计算预期寿命。

  脉冲持续时间也可以影响寿命。非常长的脉冲可以从阴极剥离大量的材料,将其沉积在壁上。在脉冲持续时间非常短的情况下,必须注意确保电弧居中在灯泡中,远离玻璃,防止严重的壁面消融。外部触发通常不推荐用于短脉冲。模拟电压触发通常用于非常快速的放电,如染料激光器中所使用的那样,并且经常将其与“预脉冲技术”相结合,其中在主闪光灯之前几毫秒内启动小闪光,以预热气体上升时间更快。

  染料激光器有时使用“轴向泵送”,其由中空的环形闪光灯组成,外部信封被镜像以将适当的光反射回中心。染料电池放置在中间,提供更均匀的泵浦光分布,更有效地传输能量。中空闪光灯的电感也比正常的闪光灯低,这提供了更短的闪光放电。很少,染料激光器使用“同轴”设计,其由环形染料单元包围的正常闪光灯组成。这提供了更好的传输效率,消除了对反射器的需要,但衍射损耗导致较低的增益。

  闪光灯的输出光谱主要是其电流密度的乘积。在确定脉冲持续时间的“爆炸能量”之后(能量将以一到十次闪烁的能量消耗),并选择安全的能量水平进行操作,可以调整电压和电容的平衡,使输出的中心从近红外到远紫外线的任何地方。低电流密度是由于使用非常高的电压和低电流而导致的。这产生了扩展的谱线,输出以近红外为中心,最适用于泵浦诸如Nd:YAG和铒:YAG的红外激光。较高的电流密度将光谱线扩大到开始混合在一起的点,并产生连续发射。较长的波长在比较短的波长更低的电流密度下达到饱和水平,因此当电流增加时,输出中心将向视觉光谱转移,这对于泵浦可见光激光器(例如红宝石)更有利。在这一点上,气体变得几乎是一个理想的“灰色散热器”。甚至更高的电流密度将产生黑体辐射,将输出定为紫外线。

  由于氙气的效率很高,因此氙气被广泛使用。尽管氪通常用于泵送钕掺杂的激光棒。这是因为近红外范围的光谱线更能匹配钕的吸收谱线,即使其总功率输出较低,也使氪气的转换效率更好。对于具有窄吸收曲线的Nd:YAG,这是特别有效的。用氪气泵送,这些激光器可达到可从氙气获得的输出功率的两倍。通常在使用氪激光Nd:YAG时选择光谱线发射,但是由于氙的所有谱线都错过了Nd:YAG的吸收带,所以当使用氙进行抽运时,使用连续谱发射。

  气体激光器中常见的电辉光放电。 例如,在氦氖激光器中,来自放电的电子与氦原子碰撞,激发它们。 激发的氦原子然后与氖原子碰撞,传递能量。 这允许氖原子的逆群体积累。

  激光泵浦是从外部源到激光增益介质的能量传递的动作。 能量被吸收在介质中,在原子中产生激发态。 当一个激发态的粒子数超过基态或较少激发态的粒子数时,就可实现种群反演。 在这种情况下,可以发生受激发射的机制,并且介质可以用作激光或光放大器。 泵浦功率必须高于激光器的激光阈值。

  泵能通常以光或电流的形式提供,但是已经使用更多的外来来源,例如化学或核反应。

  Taylor, Nick (2000). LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0. Page 56.

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