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1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。通常用于激光結(jié)構(gòu)，泵浦激光介質(zhì)以實現(xiàn)群體反轉(zhuǎn)。這項技術(shù)是由1966年的諾貝爾獎獲得者阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）于20世紀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)。對于包含單個外殼電子的原子物質(zhì)的相干雙層光泵浦的簡單的情況來說，這意味著電子被連貫地泵送到一個超精細次能級（標記為），這是由泵激光器的偏振和量子選擇規(guī)則所定義的。在光泵浦時，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別的原子是定向的。

在實踐中，*相干的光泵浦可能不會發(fā)生，因為過渡的譜線寬度和超精細結(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。
在物理本科實驗室中，通常會發(fā)現(xiàn)一種光學(xué)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。

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，它位于一個鏡面腔的一個焦點上，由一個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焦點的管。選擇反射鏡的涂層來反射比激光輸出短的波長，同時吸收或發(fā)射相同或更長的波長，以盡量減少熱透鏡。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。該流管通常由玻璃制成，它能吸收不適當(dāng)?shù)牟ㄩL，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?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重新發(fā)射。流動管還用于在燈泡出現(xiàn)劇烈故障的情況下保護桿。

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度。對于單個閃光燈，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有效的。芯棒和燈相對較長以小化端面處的損耗的影響并提供足夠長的增益介質(zhì)。由于較高的阻抗，較長的閃光燈也將電能轉(zhuǎn)換成光能更有效。
然而，如果芯棒相對于其直徑太長，則可能會發(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(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圓形的，因為聚焦光不是主要目的。這不會將光耦合到激光介質(zhì)中，因為光線在到達芯棒之前會發(fā)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(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燈更相容。

當(dāng)沿除了芯棒的長度以外的方向產(chǎn)生反射時，發(fā)生寄生模式，這可能會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。

用單個燈進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，從而在整個芯棒上提供更均勻的光分布。這允許在整個增益介質(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。閃光燈的壽命也往往很短。個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，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)大的精度計算預(yù)期壽命。
脈沖持續(xù)時間也可以影響壽命。非常長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(fā)通常不推薦用于短脈沖。模擬電壓觸發(fā)通常用于非?？焖俚姆烹姡缛玖霞す馄髦兴褂玫哪菢?，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)啟動小閃光，以預(yù)熱氣體上升時間更快。

染料激光器有時使用“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，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大到開始混合在一起的點，并產(chǎn)生連續(xù)發(fā)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(dāng)電流增加時，輸出中心將向視覺光譜轉(zhuǎn)移，這對于泵浦可見光激光器（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(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。這是因為近紅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時選擇光譜線發(fā)射，但是由于氙的所有譜線都錯過了Nd：YAG的吸收帶，所以當(dāng)使用氙進行抽運時，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，就可實現(xiàn)種群反演。 在這種情況下，可以發(fā)生受激發(fā)射的機制，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)。