泵浦

泵浦是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能級升高（或“泵”）到較高能級的過程。通常用於雷射結構，泵浦雷射介質以實現群體反轉。這項技術是由1966年的諾貝爾獎獲得者阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）於20世紀50年代初開發的。

基本介紹

• 中文名：泵浦
• 外文名：pumping
• 領域：光學
• 提出時間：1966
• 套用：雷射
• 提出者：阿爾弗雷德·卡斯特勒

簡介

泵浦是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能級升高（或“泵”）到較高能級的過程。通常用於雷射結構，泵浦雷射介質以實現群體反轉。這項技術是由1966年的諾貝爾獎獲得者阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）於20世紀50年代初開發的。

泵浦也用於循環地將在原子或分子內鍵合的電子泵送到明確定義的量子態。對於包含單個外殼電子的原子物質的相干雙層光泵浦的最簡單的情況來說，這意味著電子被連貫地泵送到一個超精細次能級（標記為 ），這是由泵雷射器的偏振和量子選擇規則所定義的。在光泵浦時，原子被稱為定向在特定的 ，然而，由於光泵浦的循環性質，結合的電子實際上將在上和下狀態子電平之間經歷重複的激發和衰減。泵浦雷射器的頻率和偏振決定了它的 子級別的原子是定向的。

在實踐中，完全相干的光泵浦可能不會發生，因為過渡的譜線寬度和超精細結構捕獲和輻射捕獲等不良影響。因此，原子的方向更一般地依賴於雷射的頻率、強度、偏振、光譜頻寬以及吸收躍遷的線寬和過渡機率。

在物理本科實驗室中，通常會發現一種光學泵浦實驗，使用銣氣體同位素和顯示射頻(MHz)電磁輻射的能力來有效地泵和釋放這些同位素。

泵送腔

用弧光燈或閃光燈泵浦的雷射通常通過雷射介質的側壁泵送，雷射介質通常以包含金屬雜質的晶棒的形式或含有液體染料的玻璃管的形式，被稱為“側面泵浦”。 為了最有效地使用燈的能量，燈和雷射介質被包含在反射腔中，其將大多數燈的能量重新定向到棒或染料單元中。

在最常見的配置中，增益介質以一根芯棒的形式存在，它位於一個鏡面腔的一個焦點上，由一個橢圓橫截面垂直於芯棒的軸組成。閃光燈泵浦是位於橢圓的另一個焦點的管。選擇反射鏡的塗層來反射比雷射輸出短的波長，同時吸收或發射相同或更長的波長，以儘量減少熱透鏡。在其他情況下，使用較長波長的吸收體。通常，燈被稱為流管的圓柱形套管包圍。該流管通常由玻璃製成，它能吸收不適當的波長，例如紫外線，或提供吸收紅外線的路徑。通常，夾套被賦予將不合適的波長的光反射回燈的電介質塗層。這種光被吸收，其中一些被以適當的波長重新發射。流動管還用於在燈泡出現劇烈故障的情況下保護桿。

較小的橢圓形產生較少的反射（稱為“緊耦合”），在芯棒的中心提供更高的強度。對於單個閃光燈，如果燈和芯棒的直徑相等，則橢圓是其高度的兩倍的橢圓通常在將光成像到芯棒中是最有效的。芯棒和燈相對較長以最小化端面處的損耗的影響並提供足夠長的增益介質。由於較高的阻抗，較長的閃光燈也將電能轉換成光能更有效。

然而，如果芯棒相對於其直徑太長，則可能會發生稱為“預拉伸”的情況，從而消除芯棒的能量，才能正確地建立。桿端通常是以布魯斯特角度塗覆或切割的抗反射，以最小化這種影響。平面鏡也經常用在泵腔的端部以減少損耗。

該設計的變化使用由重疊的橢圓形構成的更複雜的反射鏡，以允許多個閃光燈泵浦送單個芯棒。這允許更大的功率，但是效率較低，因為不是所有的光都被正確地成像到桿中，導致增加的熱損失。通過使用緊密耦合的腔體可以使這些損失最小化。然而，這種方法可能允許更對稱的泵浦，增加光束質量。

另一種結構在由漫反射材料製成的空腔中使用棒和閃光燈，例如光澤或粉末狀硫酸鋇。這些腔通常是圓形或長圓形的，因為聚焦光不是主要目的。這不會將光耦合到雷射介質中，因為光線在到達芯棒之前會發生許多反射，但通常比金屬反射器需要更少的維護。彌散培養基反射率較高的反射率增加了99%，金鏡為97%。這種方法與未拋光的棒或多個燈更相容。

當沿除了芯棒的長度以外的方向產生反射時，發生寄生模式，這可能會使用否則可用於光束的能量。如果棒的筒被拋光，這可能是一個特殊的問題。圓柱形雷射棒由於桿和冷卻水之間的全內反射而支持耳語畫廊模式，其連續地反映在圓周周圍。光管模式可以以鋸齒形路徑反射芯棒的長度。如果棒具有抗反射塗層，或者浸入與其折射率相匹配的流體中，則可以顯著減少這些反射。同樣地，如果芯棒是粗磨（磨砂）或開槽的，則可以分散內部反射。

用單個燈進行泵送往往將大部分能量集中在一側，使光束輪廓變差。桿通常具有磨砂桶，以漫射光，從而在整個芯棒上提供更均勻的光分布。這允許在整個增益介質中更多的能量吸收用於更好的橫向模式。磨砂流管或漫反射器，同時導致降低的轉印效率，有助於增加這種效果，提高增益。

選擇雷射主體材料具有低吸收;只有摻雜劑吸收。因此，任何未被摻雜吸收的頻率的光將返回到燈中並重新加熱電漿，從而縮短燈的壽命。

閃光燈泵浦

閃光燈是雷射器最早的能源。它們用於固態和染料雷射器中的高脈衝能量。它們產生廣泛的光，導致大部分能量作為增益介質中的熱浪費。閃光燈的壽命也往往很短。第一個雷射由圍繞紅寶石棒的螺旋閃光燈組成。

石英閃光燈是用於雷射器的最常見的類型，並且在低能量或高重複率下，可以在高達900℃的溫度下工作。較高的平均功率或重複頻率需要水冷。水通常不僅必須洗滌燈的弧長，而且還必須穿過玻璃的電極部分。水冷閃光燈通常用電極周圍的玻璃縮小製造，以允許鎢的直接冷卻。如果允許電極加熱比玻璃熱得多，熱膨脹會破裂密封。

燈泡使用壽命主要取決於特定燈泡的能量。低能量產生濺射，其可以從陰極去除材料並將其重新沉積在玻璃上，產生變暗的鏡面外觀。低能量下的預期壽命可能是非常不可預測的。高能量導致壁面消融，這不僅使玻璃呈現出多雲的外觀，而且還使其結構變薄並釋放氧氣，影響壓力，但在這些能量水平下，可以以相當大的精度計算預期壽命。

脈衝持續時間也可以影響壽命。非常長的脈衝可以從陰極剝離大量的材料，將其沉積在壁上。在脈衝持續時間非常短的情況下，必須注意確保電弧居中在燈泡中，遠離玻璃，防止嚴重的壁面消融。外部觸發通常不推薦用於短脈衝。模擬電壓觸發通常用於非常快速的放電，如染料雷射器中所使用的那樣，並且經常將其與“預脈衝技術”相結合，其中在主閃光燈之前幾毫秒內啟動小閃光，以預熱氣體上升時間更快。

染料雷射器有時使用“軸向泵送”，其由中空的環形閃光燈組成，外部信封被鏡像以將適當的光反射回中心。染料電池放置在中間，提供更均勻的泵浦光分布，更有效地傳輸能量。中空閃光燈的電感也比正常的閃光燈低，這提供了更短的閃光放電。很少，染料雷射器使用“同軸”設計，其由環形染料單元包圍的正常閃光燈組成。這提供了更好的傳輸效率，消除了對反射器的需要，但衍射損耗導致較低的增益。

閃光燈的輸出光譜主要是其電流密度的乘積。在確定脈衝持續時間的“爆炸能量”之後（能量將以一到十次閃爍的能量消耗），並選擇安全的能量水平進行操作，可以調整電壓和電容的平衡，使輸出的中心從近紅外到遠紫外線的任何地方。低電流密度是由於使用非常高的電壓和低電流而導致的。這產生了擴展的譜線，輸出以近紅外為中心，最適用於泵浦諸如Nd：YAG和鉺：YAG的紅外雷射。較高的電流密度將光譜線擴大到開始混合在一起的點，並產生連續發射。較長的波長在比較短的波長更低的電流密度下達到飽和水平，因此當電流增加時，輸出中心將向視覺光譜轉移，這對於泵浦可見光雷射器（例如紅寶石）更有利。在這一點上，氣體變得幾乎是一個理想的“灰色散熱器”。甚至更高的電流密度將產生黑體輻射，將輸出定為紫外線。

由於氙氣的效率很高，因此氙氣被廣泛使用。儘管氪通常用於泵送釹摻雜的雷射棒。這是因為近紅外範圍的光譜線更能匹配釹的吸收譜線，即使其總功率輸出較低，也使氪氣的轉換效率更好。對於具有窄吸收曲線的Nd：YAG，這是特別有效的。用氪氣泵送，這些雷射器可達到可從氙氣獲得的輸出功率的兩倍。通常在使用氪雷射Nd：YAG時選擇光譜線發射，但是由於氙的所有譜線都錯過了Nd：YAG的吸收帶，所以當使用氙進行抽運時，使用連續譜發射。

電泵浦

氣體雷射器中常見的電輝光放電。 例如，在氦氖雷射器中，來自放電的電子與氦原子碰撞，激發它們。 激發的氦原子然後與氖原子碰撞，傳遞能量。 這允許氖原子的逆群體積累。

電流通常用於泵浦雷射二極體和半導體晶體雷射器。

電子束泵浦自由電子雷射器和一些準分子雷射器。

雷射泵浦

雷射泵浦是從外部源到雷射增益介質的能量傳遞的動作。 能量被吸收在介質中，在原子中產生激發態。 當一個激發態的粒子數超過基態或較少激發態的粒子數時，就可實現種群反演。 在這種情況下，可以發生受激發射的機制，並且介質可以用作雷射或光放大器。 泵浦功率必須高於雷射器的雷射閾值。

泵能通常以光或電流的形式提供，但是已經使用更多的外來來源，例如化學或核反應。