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1簡(jiǎn)介

泵浦是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能級(jí)升高（或“泵”）到較高能級(jí)的過程。通常用于激光結(jié)構(gòu)，泵浦激光介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)群體反轉(zhuǎn)。這項(xiàng)技術(shù)是由1966年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）于20世紀(jì)50年代初開發(fā)的。
泵浦也用于循環(huán)地將在原子或分子內(nèi)鍵合的電子泵送到明確定義的量子態(tài)。對(duì)于包含單個(gè)外殼電子的原子物質(zhì)的相干雙層光泵浦的簡(jiǎn)單的情況來說，這意味著電子被連貫地泵送到一個(gè)超精細(xì)次能級(jí)（標(biāo)記為），這是由泵激光器的偏振和量子選擇規(guī)則所定義的。在光泵浦時(shí)，原子被稱為定向在特定的，然而，由于光泵浦的循環(huán)性質(zhì)，結(jié)合的電子實(shí)際上將在上和下狀態(tài)子電平之間經(jīng)歷重復(fù)的激發(fā)和衰減。泵浦激光器的頻率和偏振決定了它的子級(jí)別的原子是定向的。

在實(shí)踐中，*相干的光泵浦可能不會(huì)發(fā)生，因?yàn)檫^渡的譜線寬度和超精細(xì)結(jié)構(gòu)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于激光的頻率、強(qiáng)度、偏振、光譜帶寬以及吸收躍遷的線寬和過渡概率。
在物理本科實(shí)驗(yàn)室中，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)一種光學(xué)泵浦實(shí)驗(yàn)，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。

2泵送腔

用弧光燈或閃光燈泵浦的激光通常通過激光介質(zhì)的側(cè)壁泵送，激光介質(zhì)通常以包含金屬雜質(zhì)的晶棒的形式或含有液體染料的玻璃管的形式，被稱為“側(cè)面泵浦”。 為了有效地使用燈的能量，燈和激光介質(zhì)被包含在反射腔中，其將大多數(shù)燈的能量重新定向到棒或染料單元中。

在常見的配置中，增益介質(zhì)以一根芯棒的形式存在，它位于一個(gè)鏡面腔的一個(gè)焦點(diǎn)上，由一個(gè)橢圓橫截面垂直于芯棒的軸組成。閃光燈泵浦是位于橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)的管。選擇反射鏡的涂層來反射比激光輸出短的波長(zhǎng)，同時(shí)吸收或發(fā)射相同或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，以盡量減少熱透鏡。在其他情況下，使用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收體。通常，燈被稱為流管的圓柱形套管包圍。該流管通常由玻璃制成，它能吸收不適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，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(zhǎng)的光反射回?zé)舻碾娊橘|(zhì)涂層。這種光被吸收，其中一些被以適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)重新發(fā)射。流動(dòng)管還用于在燈泡出現(xiàn)劇烈故障的情況下保護(hù)桿。

較小的橢圓形產(chǎn)生較少的反射（稱為“緊耦合”），在芯棒的中心提供更高的強(qiáng)度。對(duì)于單個(gè)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有效的。芯棒和燈相對(duì)較長(zhǎng)以小化端面處的損耗的影響并提供足夠長(zhǎng)的增益介質(zhì)。由于較高的阻抗，較長(zhǎng)的閃光燈也將電能轉(zhuǎn)換成光能更有效。
然而，如果芯棒相對(duì)于其直徑太長(zhǎng)，則可能會(huì)發(fā)生稱為“預(yù)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涂覆或切割的抗反射，以小化這種影響。平面鏡也經(jīng)常用在泵腔的端部以減少損耗。

該設(shè)計(jì)的變化使用由重疊的橢圓形構(gòu)成的更復(fù)雜的反射鏡，以允許多個(gè)閃光燈泵浦送單個(gè)芯棒。這允許更大的功率，但是效率較低，因?yàn)椴皇撬械墓舛急徽_地成像到桿中，導(dǎo)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小化。然而，這種方法可能允許更對(duì)稱的泵浦，增加光束質(zhì)量。

另一種結(jié)構(gòu)在由漫反射材料制成的空腔中使用棒和閃光燈，例如光澤或粉末狀*。這些腔通常是圓形或長(zhǎng)圓形的，因?yàn)榫劢构獠皇侵饕康摹＿@不會(huì)將光耦合到激光介質(zhì)中，因?yàn)楣饩€在到達(dá)芯棒之前會(huì)發(fā)生許多反射，但通常比金屬反射器需要更少的維護(hù)。彌散培養(yǎng)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(gè)燈更相容。

當(dāng)沿除了芯棒的長(zhǎng)度以外的方向產(chǎn)生反射時(shí)，發(fā)生寄生模式，這可能會(huì)使用否則可用于光束的能量。如果棒的筒被拋光，這可能是一個(gè)特殊的問題。圓柱形激光棒由于桿和冷卻水之間的全內(nèi)反射而支持耳語畫廊模式，其連續(xù)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(zhǎng)度。如果棒具有抗反射涂層，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(nèi)部反射。

用單個(gè)燈進(jìn)行泵送往往將大部分能量集中在一側(cè)，使光束輪廓變差。桿通常具有磨砂桶，以漫射光，從而在整個(gè)芯棒上提供更均勻的光分布。這允許在整個(gè)增益介質(zhì)中更多的能量吸收用于更好的橫向模式。磨砂流管或漫反射器，同時(shí)導(dǎo)致降低的轉(zhuǎn)印效率，有助于增加這種效果，提高增益。

選擇激光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并重新加熱等離子體，從而縮短燈的壽命。

3閃光燈泵浦

閃光燈是激光器早的能源。它們用于固態(tài)和染料激光器中的高脈沖能量。它們產(chǎn)生廣泛的光，導(dǎo)致大部分能量作為增益介質(zhì)中的熱浪費(fèi)。閃光燈的壽命也往往很短。個(gè)激光由圍繞紅寶石棒的螺旋閃光燈組成。

石英閃光燈是用于激光器的常見的類型，并且在低能量或高重復(fù)率下，可以在高達(dá)900℃的溫度下工作。較高的平均功率或重復(fù)頻率需要水冷。水通常不僅必須洗滌燈的弧長(zhǎng)，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制造，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(huì)破裂密封。

燈泡使用壽命主要取決于特定燈泡的能量。低能量產(chǎn)生濺射，其可以從陰極去除材料并將其重新沉積在玻璃上，產(chǎn)生變暗的鏡面外觀。低能量下的預(yù)期壽命可能是非常不可預(yù)測(cè)的。高能量導(dǎo)致壁面消融，這不僅使玻璃呈現(xiàn)出多云的外觀，而且還使其結(jié)構(gòu)變薄并釋放氧氣，影響壓力，但在這些能量水平下，可以以相當(dāng)大的精度計(jì)算預(yù)期壽命。
脈沖持續(xù)時(shí)間也可以影響壽命。非常長(zhǎng)的脈沖可以從陰極剝離大量的材料，將其沉積在壁上。在脈沖持續(xù)時(shí)間非常短的情況下，必須注意確保電弧居中在燈泡中，遠(yuǎn)離玻璃，防止嚴(yán)重的壁面消融。外部觸發(fā)通常不推薦用于短脈沖。模擬電壓觸發(fā)通常用于非常快速的放電，如染料激光器中所使用的那樣，并且經(jīng)常將其與“預(yù)脈沖技術(shù)”相結(jié)合，其中在主閃光燈之前幾毫秒內(nèi)啟動(dòng)小閃光，以預(yù)熱氣體上升時(shí)間更快。

染料激光器有時(shí)使用“軸向泵送”，其由中空的環(huán)形閃光燈組成，外部信封被鏡像以將適當(dāng)?shù)墓夥瓷浠刂行摹Ｈ玖想姵胤胖迷谥虚g，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，染料激光器使用“同軸”設(shè)計(jì)，其由環(huán)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(duì)反射器的需要，但衍射損耗導(dǎo)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。在確定脈沖持續(xù)時(shí)間的“爆炸能量”之后（能量將以一到十次閃爍的能量消耗），并選擇安全的能量水平進(jìn)行操作，可以調(diào)整電壓和電容的平衡，使輸出的中心從近紅外到遠(yuǎn)紫外線的任何地方。低電流密度是由于使用非常高的電壓和低電流而導(dǎo)致的。這產(chǎn)生了擴(kuò)展的譜線，輸出以近紅外為中心，適用于泵浦諸如Nd：YAG和鉺：YAG的紅外激光。較高的電流密度將光譜線擴(kuò)大到開始混合在一起的點(diǎn)，并產(chǎn)生連續(xù)發(fā)射。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)在比較短的波長(zhǎng)更低的電流密度下達(dá)到飽和水平，因此當(dāng)電流增加時(shí)，輸出中心將向視覺光譜轉(zhuǎn)移，這對(duì)于泵浦可見光激光器（例如紅寶石）更有利。在這一點(diǎn)上，氣體變得幾乎是一個(gè)理想的“灰色散熱器”。甚至更高的電流密度將產(chǎn)生黑體輻射，將輸出定為紫外線。

由于氙氣的效率很高，因此氙氣被廣泛使用。盡管氪通常用于泵送釹摻雜的激光棒。這是因?yàn)榻t外范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(zhuǎn)換效率更好。對(duì)于具有窄吸收曲線的Nd：YAG，這是特別有效的。用氪氣泵送，這些激光器可達(dá)到可從氙氣獲得的輸出功率的兩倍。通常在使用氪激光Nd：YAG時(shí)選擇光譜線發(fā)射，但是由于氙的所有譜線都錯(cuò)過了Nd：YAG的吸收帶，所以當(dāng)使用氙進(jìn)行抽運(yùn)時(shí)，使用連續(xù)譜發(fā)射。

4電泵浦

氣體激光器中常見的電輝光放電。 例如，在氦氖激光器中，來自放電的電子與氦原子碰撞，激發(fā)它們。 激發(fā)的氦原子然后與氖原子碰撞，傳遞能量。 這允許氖原子的逆群體積累。
電流通常用于泵浦激光二極管和半導(dǎo)體晶體激光器。
電子束泵浦自由電子激光器和一些*。

5激光泵浦

激光泵浦是從外部源到激光增益介質(zhì)的能量傳遞的動(dòng)作。 能量被吸收在介質(zhì)中，在原子中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)。 當(dāng)一個(gè)激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)超過基態(tài)或較少激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)種群反演。 在這種情況下，可以發(fā)生受激發(fā)射的機(jī)制，并且介質(zhì)可以用作激光或光放大器。 泵浦功率必須高于激光器的激光閾值。

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