激光泵浦

什么是激光泵浦？

激光泵浦是指在激光器系统中引入能量以产生粒子数反转，即激发态原子或分子的数量超过基态原子或分子。 这提高了光受激发射的概率，从而产生激光。

泵浦蓄能

根据激光器的类型，可以通过多种方法实现泵浦，包括光泵浦、电泵浦和化学泵浦。 无论使用哪种泵浦方法，实现激光作用的关键是在增益介质中产生粒子数反转。 这是因为激光作用是基于一种称为受激发射的过程。这个过程是爱因斯坦首次描述的。 如果增益介质中的激发态原子或分子被传入的光子激发，发射出波长和相位相同的第二个光子。 

这个放大过程导致了相干光的出现。相干光具有单一的波长和方向。 然而，激发态粒子发生激发发射的概率在很大程度上取决于激发态粒子的数量。 因此，激发态粒子的数量需要比超过基态粒子的数量。 否则，其他机制将占据主导地位，而泵浦能量将以热或随机光（自发发射）的形式流失。 这个转折点有时称为泵浦阈值。

我们来看看在最常见的激光器类型中，这个过程是如何发挥作用的。

激光器类型通常按其选择的增益介质进行分类。 增益介质实际上是将泵浦能量转换为激光的材料。 增益介质可以是固态晶体或玻璃、半导体芯片、气体等离子体或液体。

光泵浦固态激光器

在光泵浦中，激发光的波长必须与增益介质的吸收光谱相匹配。 在增益介质吸收了激发光后，其电子能级提高，导致粒子数反转。 

光泵浦是泵浦固体激光器的最常见方法，其中增益介质是一块玻璃或晶体。 多年来，激发光都是由强光闪光灯提供的，这是一种发出短光脉冲的高强度光源。 闪光灯通常会发出强烈的白光，然后聚焦到增益介质上。 史上第一台激光器就是这种类型的固态激光器： 由闪光灯进行泵浦的红宝石激光器。

二极管泵浦固态 (DPSS) 激光器

遗憾的是，闪光灯产生的光波长范围很大，但固态增益介质通常只吸收一个或多个非常特定的波长。 因此，闪光灯的大部分能量最终都变成了热量。 因此这种激光器需要使用主动水冷却。 这还限制了在不破坏输出光束质量的情况下调整激光功率的能力，因为这会导致一个称为热透镜的问题。

为了减少这种加热问题，可以使用半导体激光器取代闪光灯。半导体激光器是电泵浦半导体芯片 — 见下文。 半导体激光器设计为仅产生已知固态增益介质所能吸收波长的光。 因此，这种类型的激光器命名为二极管泵浦固态 (DPSS) 激光器也就不足为奇了。

其他激光器的光泵浦

在染料激光器中，增益介质是以液体形式存在的： 含有荧光染料的溶剂。 这些激光器采用光泵浦，有时由另一个激光器提供泵浦，有时由闪光灯提供泵浦。 染料激光器始终是一项小范围使用的技术，由于其波长可调谐性，以前用于科学研究。 但今天，大多数需要波长调谐的应用已经转为采用基于钛的固态替代品： 蓝宝石 (Ti:S) 或镱增益介质。 然而，由闪光灯泵浦的脉冲染料激光器偶尔会用于少数利基应用，如碎石术。

钛 蓝宝石激光器是固态激光器，其增益介质是掺有钛离子的蓝宝石晶体。 这些激光器由某种类型的绿光激光器进行光泵浦。 这类激光器广泛用于科学领域，因为其能够在较宽波长范围内产生激光，支持需要简单调谐的应用，如荧光显微镜和流式细胞术。 这类激光器还能实现脉冲操作。通过使用一种称为模式锁定的方法，其脉冲短至几飞秒。

其他激光器使用半导体激光器进行光泵浦，包括掺镱玻璃和掺镱光纤，以及基于掺有其他稀土金属的光纤的激光器。

气体激光器的电泵浦

电泵浦是另一种激光泵浦方法，即，使电流流过增益介质以激发原子或分子。 几乎所有气体激光器都使用这种泵浦机制，在这种机制中，电流过低压气体产生等离子体。

电泵浦用来为准分子激光器供能。 这种气体激光器功率强大，发射的深紫外激光脉冲能量非常高。 准分子激光器的独特性能体制是制造高性能显示屏的几个重要工艺的关键，包括基于 OLED 和最新微 OLED 技术的显示屏。 准分子激光器也用于屈光性眼科手术（如 LASIK），用来矫正视力问题。 此外，它们正在成为许多新兴脉冲激光沉积 (PLD) 应用中的主力激光源。

连续波 (CW) 气体激光器，如氩离子激光器和氦氖激光器，是依赖电泵浦的突出例子，并一度主导了需要可见波长的激光应用。 虽然它们产生的光束质量高，但其波长选择有限，电效率极低，因此现在只是小众产品。 以前采用这类激光器的应用，现在通常采用半导体激光器、DPSS 激光器或光泵浦半导体激光器 (OPSL) — 见下文。

半导体激光器的电泵浦

电泵浦通常用于半导体激光器，其中 p-n 结用于创造粒子数反转。 p-n 结是两种类型的半导体之间的边界，其中 p 型半导体有过量的带正电空穴，而 n 型半导体有过量的带负电电子。 当在 p-n 结上施加电压时，电子和空穴注入到半导体中，产生粒子数反转并导致激光产生。 

半导体激光器体积小，成本相对较低，因此目前是最常见的电泵浦激光器类型。 而半导体激光器本身则广泛用于泵浦其他类型的激光器。 高功率半导体激光器也直接用于塑料焊接和金属熔覆/硬化等应用。

光泵浦半导体激光器

现在我们要介绍一种重要而独特的激光器类型，即光泵浦半导体激光器，或称 OPSL。 这种激光器包括一种特殊类型的半导体芯片，其不是通过电力进行泵浦，而是通过一个或多个半导体激光器发出的光进行泵浦。 OPSL 有几个独到的优势。 其半导体细节可以针对近红外光谱中的任何特定波长进行设计。 然后，近红外波长的频率可以翻倍到达可见光频率，甚至是翻三倍以提供紫外线输出，因此这类激光器型号的波长选择范围显著扩大。 同样重要的是，其输出功率可以从几毫瓦扩展到高达 20 瓦。 

OPSL 的实例包括 Verdi、Sapphire、Genesis 和 OBIS 系列的Coherent 高意激光器。 这些激光器广泛用于生命科学领域，特别是流式细胞术和共聚焦显微分析。 OPSL 也用于壮观的多色激光演示灯，因为它们提供的颜色要比其他任何激光器类型都要多。 

化学泵浦

化学泵浦是一种很少使用的激光泵浦方法，利用化学反应在增益介质中产生粒子数反转。 化学泵浦用于非常专业的气体激光器中，这类激光器利用化学反应激发气体中的原子或分子。 最常见的化学泵浦方法是氢气和氟气在化学激光器中的燃烧，导致粒子数反转和激光产生。

总结

总之，激光泵浦是在激光系统中产生高强度相干光的一个关键过程。 无论是通过光学、电学还是化学手段实现，激光泵浦的关键都是在增益介质中产生粒子数反转，从而实现激发发射和产生激光。