Apakah laser gentian?

Definisi: Laser yang menggunakan gentian doped sebagai medium keuntungan, atau laser yang resonator lasernya kebanyakannya terdiri daripada gentian.

Laser gentian biasanya merujuk kepada laser yang menggunakan gentian sebagai medium keuntungan, walaupun beberapa laser yang menggunakan media keuntungan semikonduktor (penguat optik semikonduktor) dan resonator gentian juga boleh dipanggil laser gentian (atau laser optik semikonduktor). Selain itu, beberapa jenis laser lain (contohnya, diod semikonduktor bergandingan gentian) dan penguat gentian juga dipanggil laser gentian (atau sistem laser gentian).

Dalam kebanyakan kes, medium perolehan ialah gentian dop ion nadir bumi, seperti erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), torium (Tm3+), atau praseodymium (Pr3+), dan satu atau lebih diod laser bergandingan gentian diperlukan untuk mengepam. Walaupun medium keuntungan laser gentian adalah serupa dengan laser pukal keadaan pepejal, kesan pandu gelombang dan kawasan mod berkesan kecil menghasilkan laser dengan sifat yang berbeza. Sebagai contoh, mereka biasanya mempunyai keuntungan laser yang tinggi dan kehilangan rongga resonator yang tinggi. Lihat entri laser gentian dan laser pukal.

Rajah 1

Resonator laser gentian

Untuk mendapatkan resonator laser menggunakan gentian optik, beberapa reflektor boleh digunakan untuk membentuk resonator linear, atau untuk mencipta laser cincin gentian. Jenis pemantul yang berbeza boleh digunakan dalam resonator laser optik linear:

Rajah 2

1. Dalam persediaan makmal, cermin dikroik biasa boleh digunakan pada hujung gentian yang dibelah secara berserenjang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Walau bagaimanapun, penyelesaian ini tidak boleh digunakan dalam pengeluaran berskala besar dan tidak tahan lama.

2. Pantulan Fresnel pada hujung gentian kosong adalah mencukupi untuk berfungsi sebagai pengganding keluaran bagi laser gentian. Rajah 2 menunjukkan contoh.

3. Salutan dielektrik juga boleh didepositkan terus pada hujung gentian, biasanya melalui penyejatan. Salutan sedemikian boleh mencapai pemantulan tinggi dalam julat yang luas.

4. Dalam produk komersial, parut Bragg gentian biasanya digunakan, yang boleh disediakan terus daripada gentian terdop atau dengan menyambung gentian tidak terdop kepada gentian aktif. Rajah 3 menunjukkan laser pemantul Bragg yang diedarkan (laser DBR), yang mengandungi dua parut gentian. Terdapat juga laser maklum balas yang diedarkan dengan parut dalam gentian doped dan peralihan fasa di antaranya.

5. Jika cahaya yang dipancarkan daripada gentian disatukan oleh kanta dan dipantulkan kembali oleh cermin dichroic, pengendalian kuasa yang lebih baik boleh dicapai. Cahaya yang diterima oleh cermin akan mempunyai keamatan yang sangat berkurangan disebabkan oleh kawasan pancaran yang lebih besar. Walau bagaimanapun, sedikit salah jajaran boleh menyebabkan kehilangan pantulan yang ketara, dan pantulan Fresnel tambahan pada faset hujung gentian boleh menghasilkan kesan penapis. Yang terakhir boleh ditindas dengan menggunakan hujung gentian terbelah bersudut, tetapi ini memperkenalkan kerugian bergantung kepada panjang gelombang.

6. Ia juga boleh membentuk reflektor gelung optik menggunakan pengganding gentian dan gentian pasif.

Kebanyakan laser optik dipam oleh satu atau lebih laser semikonduktor bergandingan gentian. Lampu pam digandingkan terus ke dalam teras gentian atau pada kuasa tinggi ke dalam pelapisan pam (lihat gentian bersalut dua), yang akan dibincangkan secara terperinci di bawah.

Terdapat banyak jenis laser gentian, beberapa daripadanya diterangkan di bawah.

Terdapat banyak jenis laser gentian, beberapa daripadanya diterangkan di bawah.

Laser gentian berkuasa tinggi

Pada mulanya, laser gentian hanya mampu mencapai kuasa keluaran beberapa miliwatt. Hari ini, laser gentian berkuasa tinggi boleh mencapai kuasa keluaran beberapa ratus watt, dan kadangkala beberapa kilowatt daripada gentian mod tunggal. Ini dicapai dengan meningkatkan nisbah aspek dan kesan pandu gelombang, yang mengelakkan kesan termo-optik.

Lihat entri Laser gentian berkuasa tinggi dan penguat untuk mendapatkan butiran lanjut.

Laser gentian peningkatan penukaran

Laser gentian amat sesuai untuk merealisasikan laser penukaran naik, yang biasanya beroperasi pada peralihan laser yang agak jarang dan memerlukan keamatan pam yang sangat tinggi. Dalam laser gentian, keamatan pam yang tinggi boleh dikekalkan pada jarak yang jauh, supaya kecekapan keuntungan yang diperoleh mudah dicapai untuk peralihan dengan keuntungan yang sangat rendah.

Dalam kebanyakan kes, gentian silika tidak sesuai untuk laser gentian upconversion, kerana mekanisme upconversion memerlukan jangka hayat keadaan pertengahan yang panjang dalam tahap tenaga elektronik, yang biasanya sangat kecil dalam gentian silika kerana tenaga fonon yang tinggi (lihat peralihan multifoton). Oleh itu, beberapa gentian fluorida logam berat biasanya digunakan, seperti ZBLAN (fluorozirkonat) dengan tenaga fonon rendah.

Laser gentian upconversion yang paling biasa digunakan ialah gentian thorium-doped untuk cahaya biru, laser-doped praseodymium (kadang-kadang dengan ytterbium) untuk cahaya merah, oren, hijau atau biru, dan laser-doped erbium untuk triod.

Laser gentian lebar talian sempit

Laser gentian boleh beroperasi hanya dalam satu mod membujur (lihat laser frekuensi tunggal, operasi mod tunggal) dengan lebar talian yang sangat sempit beberapa kilohertz atau kurang daripada 1 kHz. Untuk operasi frekuensi tunggal stabil jangka panjang, dan tanpa keperluan tambahan selepas mempertimbangkan kestabilan suhu, rongga laser harus pendek (contohnya, 5 cm), walaupun lebih panjang rongga, pada dasarnya, bunyi fasa lebih rendah dan lebih sempit lebar talian. Hujung gentian mengandungi parut Bragg gentian jalur sempit (lihat laser pemantul Bragg yang diedarkan, laser gentian DBR) untuk memilih mod rongga. Kuasa keluaran biasanya berjulat daripada beberapa miliwatt hingga berpuluh-puluh miliwatt, dan laser gentian frekuensi tunggal dengan kuasa output sehingga 1 W juga tersedia.

Bentuk yang melampau ialah laser maklum balas teragih (laser DFB), di mana keseluruhan rongga laser terkandung dalam parut Bragg gentian dengan anjakan fasa di antaranya. Di sini rongganya agak pendek, yang mengorbankan kuasa output dan lebar talian, tetapi operasi frekuensi tunggal sangat stabil.

Penguat gentian juga boleh digunakan untuk menguatkan lagi kepada kuasa yang lebih tinggi.

Laser gentian Q-switched

Laser gentian boleh menjana denyutan dengan panjang antara puluhan hingga ratusan nanosaat, menggunakan pelbagai suis Q aktif atau pasif. Tenaga nadi beberapa milijoule boleh dicapai dengan gentian kawasan mod besar, dan dalam kes yang melampau boleh mencapai puluhan milijoule, dihadkan oleh tenaga tepu (walaupun dengan gentian kawasan mod besar) dan ambang kerosakan (lebih ketara untuk denyutan yang lebih pendek). Semua peranti gentian (kecuali optik ruang bebas) terhad dalam tenaga nadi, kerana mereka biasanya tidak boleh melaksanakan gentian kawasan mod besar dan pensuisan Q yang berkesan.

Disebabkan oleh keuntungan laser yang tinggi, penukaran Q dalam laser gentian adalah sangat berbeza sifatnya daripada laser pukal dan lebih kompleks. Biasanya terdapat berbilang pancang dalam domain masa, dan ia juga mungkin untuk menghasilkan denyutan bertukar-Q dengan panjang kurang daripada masa pergi balik resonator.

Laser gentian terkunci mod menggunakan resonator yang lebih kompleks (laser gentian ultrapendek) untuk menghasilkan denyutan picosaat atau femtosaat. Di sini, resonator laser mengandungi modulator aktif atau beberapa penyerap tepu. Penyerap tepu boleh direalisasikan dengan kesan putaran polarisasi tak linear atau dengan menggunakan cermin gelung gentian tak linear. Cermin gelung tak linear boleh digunakan, sebagai contoh, dalam "laser angka lapan" dalam Rajah 8, di mana bahagian kiri mengandungi resonator utama dan gelang gentian tak linear untuk menguatkan, membentuk dan menstabilkan denyut ultrashort perjalanan pergi balik. Terutamanya dalam penguncian mod harmonik, peranti tambahan diperlukan, seperti subrongga yang digunakan sebagai penapis optik.