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(guò)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(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)泵浦，包括光泵浦、電泵浦和化學(xué)泵浦。 無(wú)論使用哪種泵浦方法，實(shí)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?yàn)榧す庾饔檬腔谝环N稱為受激發(fā)射的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是愛(ài)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(zhǎng)和相位相同的第二個(gè)光子。

這個(gè)放大過(guò)程導(dǎo)致了相干光的出現(xiàn)。相干光具有單一的波長(zhǎng)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(guò)基態(tài)粒子的數(shù)量。 否則，其他機(jī)制將占據(jù)主導(dǎo)地位，而泵浦能量將以熱或隨機(jī)光(自發(fā)發(fā)射)的形式流失。 這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)有時(shí)稱為泵浦閾值。

我們來(lái)看看在最常見(jiàn)的激光器類型中，這個(gè)過(guò)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(jìn)行分類。 增益介質(zhì)實(shí)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(zhǎng)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(jí)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(jiàn)方法，其中增益介質(zhì)是一塊玻璃或晶體。 多年來(lái)，激發(fā)光都是由強(qiáng)光閃光燈提供的，這是一種發(fā)出短光脈沖的高強(qiáng)度光源。 閃光燈通常會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的白光，然后聚焦到增益介質(zhì)上。 史上第一臺(tái)激光器就是這種類型的固態(tài)激光器： 由閃光燈進(jìn)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(zhǎng)范圍很大，但固態(tài)增益介質(zhì)通常只吸收一個(gè)或多個(gè)非常特定的波長(zhǎng)。 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(dòng)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?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致一個(gè)稱為熱透鏡的問(wèn)題。

為了減少這種加熱問(wèn)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(jiàn)下文。 半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)為僅產(chǎn)生已知固態(tài)增益介質(zhì)所能吸收波長(zhǎng)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(shí)由另一個(gè)激光器提供泵浦，有時(shí)由閃光燈提供泵浦。 染料激光器始終是一項(xiàng)小范圍使用的技術(shù)，由于其波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lán)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(huì)用于少數(shù)利基應(yīng)用，如碎石術(shù)。

鈦 藍(lán)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(lán)寶石晶體。 這些激光器由某種類型的綠光激光器進(jìn)行光泵浦。 這類激光器廣泛用于科學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)槠淠軌蛟谳^寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生激光，支持需要簡(jiǎn)單調(diào)諧的應(yīng)用，如熒光顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)。 這類激光器還能實(shí)現(xiàn)脈沖操作。通過(guò)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(jìn)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(guò)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(jī)制，在這種機(jī)制中，電流過(guò)低壓氣體產(chǎn)生等離子體。

電泵浦用來(lái)為準(zhǔn)分子激光器供能。 這種氣體激光器功率強(qiáng)大，發(fā)射的深紫外激光脈沖能量非常高。 準(zhǔn)分子激光器的獨(dú)特性能體制是制造高性能顯示屏的幾個(gè)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(zhǔn)分子激光器也用于屈光性眼科手術(shù)(如 LASIK)，用來(lái)矯正視力問(wèn)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(jiàn)波長(zhǎng)的激光應(yīng)用。 雖然它們產(chǎn)生的光束質(zhì)量高，但其波長(zhǎng)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(jiàn)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(guò)量的帶正電空穴，而 n 型半導(dǎo)體有過(guò)量的帶負(fù)電電子。 當(dāng)在 p-n 結(jié)上施加電壓時(shí)，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(duì)較低，因此目前是最常見(jiàn)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(dú)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(guò)電力進(jìn)行泵浦，而是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光進(jìn)行泵浦。 OPSL 有幾個(gè)獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。 其半導(dǎo)體細(xì)節(jié)可以針對(duì)近紅外光譜中的任何特定波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 然后，近紅外波長(zhǎng)的頻率可以翻倍到達(dá)可見(jiàn)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(hào)的波長(zhǎng)選擇范圍顯著擴(kuò)大。 同樣重要的是，其輸出功率可以從幾毫瓦擴(kuò)展到高達(dá) 20 瓦。

OPSL 的實(shí)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(xì)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?yàn)樗鼈兲峁┑念伾绕渌魏渭す馄黝愋投家唷?/p>

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(jiàn)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(qiáng)度相干光的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。 無(wú)論是通過(guò)光學(xué)、電學(xué)還是化學(xué)手段實(shí)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(shí)現(xiàn)激發(fā)發(fā)射和產(chǎn)生激光。

審核編輯 黃宇