激光泵浦是指在激光器系統(tǒng)中引入能量以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即激發(fā)態(tài)原子或分子的數(shù)量超過基態(tài)原子或分子。 這提高了光受激發(fā)射的概率，從而產(chǎn)生激光。

泵浦蓄能

根據(jù)激光器的類型，可以通過多種方法實現(xiàn)泵浦，包括光泵浦、電泵浦和化學(xué)泵浦。 無論使用哪種泵浦方法，實現(xiàn)激光作用的關(guān)鍵是在增益介質(zhì)中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 這是因為激光作用是基于一種稱為受激發(fā)射的過程。這個過程是愛因斯坦首次描述的。 如果增益介質(zhì)中的激發(fā)態(tài)原子或分子被傳入的光子激發(fā)，發(fā)射出波長和相位相同的第二個光子。

這個放大過程導(dǎo)致了相干光的出現(xiàn)。相干光具有單一的波長和方向。 然而，激發(fā)態(tài)粒子發(fā)生激發(fā)發(fā)射的概率在很大程度上取決于激發(fā)態(tài)粒子的數(shù)量。 因此，激發(fā)態(tài)粒子的數(shù)量需要比超過基態(tài)粒子的數(shù)量。 否則，其他機制將占據(jù)主導(dǎo)地位，而泵浦能量將以熱或隨機光(自發(fā)發(fā)射)的形式流失。 這個轉(zhuǎn)折點有時稱為泵浦閾值。

我們來看看在最常見的激光器類型中，這個過程是如何發(fā)揮作用的。

激光器類型通常按其選擇的增益介質(zhì)進行分類。 增益介質(zhì)實際上是將泵浦能量轉(zhuǎn)換為激光的材料。 增益介質(zhì)可以是固態(tài)晶體或玻璃、半導(dǎo)體芯片、氣體等離子體或液體。

光泵浦固態(tài)激光器

在光泵浦中，激發(fā)光的波長必須與增益介質(zhì)的吸收光譜相匹配。 在增益介質(zhì)吸收了激發(fā)光后，其電子能級提高，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

光泵浦是泵浦固體激光器的最常見方法，其中增益介質(zhì)是一塊玻璃或晶體。 多年來，激發(fā)光都是由強光閃光燈提供的，這是一種發(fā)出短光脈沖的高強度光源。 閃光燈通常會發(fā)出強烈的白光，然后聚焦到增益介質(zhì)上。 史上第一臺激光器就是這種類型的固態(tài)激光器： 由閃光燈進行泵浦的紅寶石激光器。

二極管泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器

遺憾的是，閃光燈產(chǎn)生的光波長范圍很大，但固態(tài)增益介質(zhì)通常只吸收一個或多個非常特定的波長。 因此，閃光燈的大部分能量最終都變成了熱量。 因此這種激光器需要使用主動水冷卻。 這還限制了在不破壞輸出光束質(zhì)量的情況下調(diào)整激光功率的能力，因為這會導(dǎo)致一個稱為熱透鏡的問題。

為了減少這種加熱問題，可以使用半導(dǎo)體激光器取代閃光燈。半導(dǎo)體激光器是電泵浦半導(dǎo)體芯片 — 見下文。 半導(dǎo)體激光器設(shè)計為僅產(chǎn)生已知固態(tài)增益介質(zhì)所能吸收波長的光。 因此，這種類型的激光器命名為二極管泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器也就不足為奇了。

其他激光器的光泵浦

在染料激光器中，增益介質(zhì)是以液體形式存在的： 含有熒光染料的溶劑。 這些激光器采用光泵浦，有時由另一個激光器提供泵浦，有時由閃光燈提供泵浦。 染料激光器始終是一項小范圍使用的技術(shù)，由于其波長可調(diào)諧性，以前用于科學(xué)研究。 但今天，大多數(shù)需要波長調(diào)諧的應(yīng)用已經(jīng)轉(zhuǎn)為采用基于鈦的固態(tài)替代品： 藍寶石 (Ti:S) 或鐿增益介質(zhì)。 然而，由閃光燈泵浦的脈沖染料激光器偶爾會用于少數(shù)利基應(yīng)用，如碎石術(shù)。

鈦 藍寶石激光器是固態(tài)激光器，其增益介質(zhì)是摻有鈦離子的藍寶石晶體。 這些激光器由某種類型的綠光激光器進行光泵浦。 這類激光器廣泛用于科學(xué)領(lǐng)域，因為其能夠在較寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生激光，支持需要簡單調(diào)諧的應(yīng)用，如熒光顯微鏡和流式細胞術(shù)。 這類激光器還能實現(xiàn)脈沖操作。通過使用一種稱為模式鎖定的方法，其脈沖短至幾飛秒。

其他激光器使用半導(dǎo)體激光器進行光泵浦，包括摻鐿玻璃和摻鐿光纖，以及基于摻有其他稀土金屬的光纖的激光器。

氣體激光器的電泵浦

電泵浦是另一種激光泵浦方法，即，使電流流過增益介質(zhì)以激發(fā)原子或分子。 幾乎所有氣體激光器都使用這種泵浦機制，在這種機制中，電流過低壓氣體產(chǎn)生等離子體。

電泵浦用來為準分子激光器供能。 這種氣體激光器功率強大，發(fā)射的深紫外激光脈沖能量非常高。 準分子激光器的獨特性能體制是制造高性能顯示屏的幾個重要工藝的關(guān)鍵，包括基于 OLED 和最新微 OLED 技術(shù)的顯示屏。 準分子激光器也用于屈光性眼科手術(shù)(如 LASIK)，用來矯正視力問題。 此外，它們正在成為許多新興脈沖激光沉積 (PLD) 應(yīng)用中的主力激光源。

連續(xù)波 (CW) 氣體激光器，如氬離子激光器和氦氖激光器，是依賴電泵浦的突出例子，并一度主導(dǎo)了需要可見波長的激光應(yīng)用。 雖然它們產(chǎn)生的光束質(zhì)量高，但其波長選擇有限，電效率極低，因此現(xiàn)在只是小眾產(chǎn)品。 以前采用這類激光器的應(yīng)用，現(xiàn)在通常采用半導(dǎo)體激光器、DPSS 激光器或光泵浦半導(dǎo)體激光器 (OPSL) — 見下文。

半導(dǎo)體激光器的電泵浦

電泵浦通常用于半導(dǎo)體激光器，其中 p-n 結(jié)用于創(chuàng)造粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 p-n 結(jié)是兩種類型的半導(dǎo)體之間的邊界，其中 p 型半導(dǎo)體有過量的帶正電空穴，而 n 型半導(dǎo)體有過量的帶負電電子。 當(dāng)在 p-n 結(jié)上施加電壓時，電子和空穴注入到半導(dǎo)體中，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并導(dǎo)致激光產(chǎn)生。

半導(dǎo)體激光器體積小，成本相對較低，因此目前是最常見的電泵浦激光器類型。 而半導(dǎo)體激光器本身則廣泛用于泵浦其他類型的激光器。 高功率半導(dǎo)體激光器也直接用于塑料焊接和金屬熔覆/硬化等應(yīng)用。

光泵浦半導(dǎo)體激光器

現(xiàn)在我們要介紹一種重要而獨特的激光器類型，即光泵浦半導(dǎo)體激光器，或稱 OPSL。 這種激光器包括一種特殊類型的半導(dǎo)體芯片，其不是通過電力進行泵浦，而是通過一個或多個半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光進行泵浦。 OPSL 有幾個獨到的優(yōu)勢。 其半導(dǎo)體細節(jié)可以針對近紅外光譜中的任何特定波長進行設(shè)計。 然后，近紅外波長的頻率可以翻倍到達可見光頻率，甚至是翻三倍以提供紫外線輸出，因此這類激光器型號的波長選擇范圍顯著擴大。 同樣重要的是，其輸出功率可以從幾毫瓦擴展到高達 20 瓦。

OPSL 的實例包括 Verdi、Sapphire、Genesis 和 OBIS 系列的Coherent 高意激光器。 這些激光器廣泛用于生命科學(xué)領(lǐng)域，特別是流式細胞術(shù)和共聚焦顯微分析。 OPSL 也用于壯觀的多色激光演示燈，因為它們提供的顏色要比其他任何激光器類型都要多。

化學(xué)泵浦

化學(xué)泵浦是一種很少使用的激光泵浦方法，利用化學(xué)反應(yīng)在增益介質(zhì)中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 化學(xué)泵浦用于非常專業(yè)的氣體激光器中，這類激光器利用化學(xué)反應(yīng)激發(fā)氣體中的原子或分子。 最常見的化學(xué)泵浦方法是氫氣和氟氣在化學(xué)激光器中的燃燒，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光產(chǎn)生。

總結(jié)

總之，激光泵浦是在激光系統(tǒng)中產(chǎn)生高強度相干光的一個關(guān)鍵過程。 無論是通過光學(xué)、電學(xué)還是化學(xué)手段實現(xiàn)，激光泵浦的關(guān)鍵都是在增益介質(zhì)中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)激發(fā)發(fā)射和產(chǎn)生激光。

審核編輯 黃宇