Die meisten Entscheidungen zur Pumpwellenlänge werden rückwärts getroffen. Jemand wählt 808 nm, weil die letzten drei Aufbauten 808 nm verwendet haben, der Kristall es absorbiert und die Dioden günstig sind. Dann tritt die thermische Linse bei 60 % der Auslegungsleistung auf, die Strahlqualität zerfällt, und die Lösung wird ein größerer Kühlkörper statt einer anderen Pumpe.
Die Kosten dieser Abkürzung sind real. Jedes Watt, das Sie bei der falschen Wellenlänge einspeisen, wird zu Wärme im Verstärkungsmedium, und Wärme im Verstärkungsmedium ist das, was Ihre Ausgangsleistung, Ihr M² und Ihre Punktstabilität begrenzt. Sie können sich nicht aus einer Wellenlängenwahl herauskühlen.
Zwei Zahlen klären das meiste, bevor Sie etwas bestellen: der Quantendefekt und die Fluoreszenzlebensdauer des Verstärkungsmediums. Beide stammen direkt aus der Physik der Fluoreszenz, und beide stehen auf Daten, die Sie bereits haben.
Inhaltsverzeichnis
Die Auswahl der Pumpwellenlänge läuft auf zwei Größen hinaus. Der Quantendefekt (1 − λ_Pumpe/λ_Laser) bestimmt, wie viel Pumpleistung zu Wärme im Kristall wird. Die Fluoreszenzlebensdauer des oberen Laserniveaus bestimmt, wie viel Energie das Medium zwischen Pulsen speichern kann. Wählen Sie die längste Pumpwellenlänge, die das Medium noch effizient absorbiert, und überprüfen Sie dann, ob die Diode diese Wellenlänge über Ihren gesamten thermischen Bereich hält.
[ BILD 1 — ersetzen Sie diesen Absatz durch den Bildblock ]
Aufnahme: Hero-Bild — eine Reihe von LUMEXIS fasergekoppelten Diodenlasermodulen (808, 888, 976 nm) auf einer neutralen Werkbank mit aufgerollten Lieferfasern, plus ein kleiner Nd:YVO4-Kristall auf einer Halterung im Vordergrund.
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Alt-Text: Faser gekoppelte Diodenlaser-Pumpmodule bei 808, 888 und 976 nm neben einem Nd:YVO4-Laserkristall
Quantendefekt ist Wärme, die Sie eingeplant haben
Wenn ein Pumpphoton absorbiert wird, steigt das Ion in einen angeregten Zustand. Es bleibt dort nicht. Es relaxiert zum oberen Laserniveau und gibt die Energiedifferenz als Phononen an das Kristallgitter ab, und erst dann emittiert es ein Laserphoton. Dieser Relaxationsschritt ist auf einem Datenblatt unsichtbar und in der Physik unvermeidbar.
Die Arithmetik ist einfach. Pumpen Sie bei 808 nm für 1064 nm Ausgang und der fraktionelle Verlust ist 1 − 808/1064, also etwa 24 %. Pumpen Sie denselben Übergang bei 888 nm und er sinkt auf 16,5 %. Nichts anderes im System hat sich geändert. Sie haben nur etwa ein Drittel der thermischen Last entfernt.
| Pump-λ | Laser-λ | Quantendefekt | Typisches Medium |
|---|---|---|---|
| 808 nm | 1064 nm | 24.1% | Nd:YAG, Nd:YVO₄ |
| 878,6 nm | 1064 nm | 17.4% | Nd:YVO₄ (In-Band) |
| 885 nm | 1064 nm | 16.8% | Nd:YAG (In-Band) |
| 888 nm | 1064 nm | 16.5% | Nd:YVO₄ (In-Band) |
| 915 nm | 1070 nm | 14.5% | Yb-dotierte Faser |
| 976 nm | 1070 nm | 8.8% | Yb-dotierte Faser |
| 976 nm | 1030 nm | 5.2% | Yb:YAG, Yb-Faser |
Diese letzte Zeile ist der Grund, warum Ytterbium zum Arbeitstier von Hochleistungs-Faserlasern wurde. Ein thermischer Anteil von 5 % ist ein anderes technisches Problem als einer von 24 %.
Der Haken ist, dass ein niedrigerer Quantendefekt fast immer schwächere Absorption bedeutet. Der Absorptionspeak von Neodym bei 888 nm ist ein kleiner Bruchteil der Höhe des 808-nm-Peaks. Sie erhalten den thermischen Vorteil, indem Sie akzeptieren, dass das Pumplicht weiter reist, bevor es absorbiert wird, was einen längeren Kristall, höhere Dotierung oder beides bedeutet. In der Praxis laufen In-Band-gepumpte Stäbe häufig bei etwa 30 mm, während ein 808-nm-Design bei etwa 8 mm enden würde. Das ist eine echte Änderung Ihres Resonator-Layouts, kein direkter Ersatz.
Die Fluoreszenzlebensdauer entscheidet, welches Pulsformat Sie bauen können
Die zweite Zahl ist die Lebensdauer des oberen Zustands, manchmal auch Fluoreszenzlebensdauer genannt. Sie gibt an, wie lange ein angeregtes Ion im Durchschnitt wartet, bevor es sein Photon spontan abgibt. Sie zeigt, wie lange das Medium Energie für Sie speichern kann.
Für kontinuierlich gepumpte Q-switched Laser ist das das ganze Spiel. Eine lange Lebensdauer ermöglicht es Ihnen, Population zwischen Pulsen zu akkumulieren und in einem Schuss abzugeben. Eine kurze Lebensdauer bedeutet, dass die Energie als Fluoreszenz entweicht, bevor Ihr Q-Schalter öffnet.
| Medium | Fluoreszenzlebensdauer | Was es bedeutet |
|---|---|---|
| Nd:YVO₄ | 90–100 µs | Hohe Verstärkung, geringe Speicherung. Geeignet für hohe Wiederholraten, moderate Pulsenergie. |
| Nd:YAG | ~230 µs | Ausgewogene Speicherung. Der Standard für Q-switched Arbeiten. |
| Nd:YLF | ~480 µs | Bessere Speicherung, schwächere thermische Handhabung. |
| Yb-dotierte Faser | ~800 µs–1 ms | Lange Speicherung, benötigt aber von Natur aus In-Band-Pumpen. |
| Er:Glass (1535 nm) | Millisekunden | Sehr lange Speicherung. Ermöglicht kompakte Entfernungsmessquellen mit geringer Durchschnittsleistung. |
Nd:YVO₄ veranschaulicht den Kompromiss deutlich. Sein Emissionsquerschnitt ist etwa fünfmal so groß wie der von Nd:YAG, was hohe Verstärkung und eine niedrige Schwelle ergibt, aber seine Lebensdauer beträgt weniger als die Hälfte. Großartig für einen 100-kHz-Markierungslaser. Schlecht für einen 10-Hz-Hochenergiepuls.
Die Lebensdauer begrenzt auch, wie Sie pumpen. Wenn Sie QCW-Pumpen verwenden, ist ein Pumpimpuls, der viel länger als die Fluoreszenzlebensdauer ist, verschwendete Energie: Der vordere Teil Ihres Pumpimpulses ist bereits fluoresziert, bevor der hintere Teil ankommt. Passen Sie die Pumpimpulsdauer an die Speicherzeit an oder akzeptieren Sie den Verlust bewusst.
Neodym: drei In-Band-Optionen, die nicht austauschbar sind
Sobald Sie sich entscheiden, von 808 nm abzuweichen, stehen Sie vor der Wahl zwischen 878,6, 885 und 888 nm. Lieferanten listen sie nebeneinander auf, als wären sie Varianten. Sie lösen unterschiedliche Probleme.
878,6 nm pumpt Nd:YVO₄ direkt in das obere Laserniveau. Von den dreien erfordert es die engste Wellenlängenkontrolle, da das Absorptionsmerkmal, auf das es abzielt, schmal ist. Unsere 878,6-nm-fasergekoppelte Serie ist bei 878,1–879,1 nm mit einer Temperaturdrift von 0,015 nm/°C spezifiziert, was der engste Wert in unserem Pumpkatalog ist. Diese Zahl existiert, weil die Anwendung nichts Lockereres tolerieren kann.
885 nm ist das Nd:YAG-Pendant und zielt direkt auf den ⁴I₉/₂- zu ⁴F₃/₂-Übergang ab. Gleiche Logik, anderer Wirt.
888 nm tut etwas, was die anderen beiden nicht tun. Bei 888 nm absorbiert Nd:YVO₄ nahezu identisch für Licht, das entlang der a- und c-Achse polarisiert ist. Polarisationsunabhängige Absorption bedeutet, dass Sie unpolarisiertes, faserübertragenes Licht in den Kristall pumpen können, ohne sich um Orientierung oder Depolarisation in der Zuleitungsfaser zu sorgen, und die absorbierte Leistungsverteilung bleibt vorhersehbar. Für Hochleistungs-TEM₀₀-Designs ist das mehr wert als die zusätzlichen 0,91 TP3T gesparten Quantendefekts.
| 808 nm | 878,6 nm | 885 nm | 888 nm | |
|---|---|---|---|---|
| Typisches Ziel | Nd:YAG, Nd:YVO₄ | Nd:YVO₄ | Nd:YAG | Nd:YVO₄ |
| Absorptionsstärke | Stark | Schwach | Schwach | Am schwächsten |
| Erforderliche spektrale Breite | 3–5 nm akzeptabel | ~1 nm | ~1 nm | ~1,4 nm |
| Typische Driftspezifikation | 0,3–0,4 nm/°C | 0,015 nm/°C | 0,02 nm/°C | 0,02 nm/°C |
| Polarisationsempfindlich | Ja | Ja | Ja | Weitgehend nein |
| Kristalllänge | Kurz (~8 mm) | Lang | Lang | Lang (~30 mm) |
Das Muster hier: Die In-Band-Wellenlängen erkaufen thermische Reserven mit Wellenlängendisziplin. Wenn Ihr Aufbau die Diodenwellenlänge nicht halten kann, wird In-Band-Pumpen gegenüber einfachem 808 nm schlechter abschneiden.
Ytterbium: 915 nm und 976 nm sind zwei verschiedene Designphilosophien
Bei Yb-dotierter Faser ist die Wahl nicht subtil, und der Grund hat nichts mit dem Quantendefekt allein zu tun.
Der Absorptionspeak von Ytterbium bei 976 nm ist hoch und schmal, nur wenige Nanometer breit. Seine 915-nm-Schulter ist niedrig und breit, bequem dutzende Nanometer. Dieser einzige Unterschied treibt alles Nachgelagerte an.
Rechnen Sie die Arithmetik durch, die die meisten Auswahlhilfen überspringen. Eine unstabilisierte Fabry-Pérot-Diode driftet etwa 0,35 nm/°C. Über einen 20-°C-Schwankungsbereich der Kühlmitteltemperatur sind das 7 nm Wanderung. Ein 976-nm-Peak, der nur wenige Nanometer breit ist, überlebt das einfach nicht: Die Diode wandert vom Absorptionsmerkmal weg, und Ihre Pumpleistung geht direkt durch die Faser zum Cladding-Stripper. Dieselben 7 nm Drift auf der 915-nm-Schulter ändern die Absorption um ein paar Prozent, und nichts Schlimmes passiert.
Eine stabilisierte 976-nm-Pumpe ist also kein Premium-Feature. Sie ist eine Anforderung. Unsere 976-nm-A-Serie ist auf 975,5–976,5 nm mit 0,8 nm spektraler Breite und 0,02 nm/°C Drift festgelegt, gegenüber einer breiten C-Serie bei 973–979 nm mit 5–6 nm Breite und 0,3–0,4 nm/°C für Anwendungen, die den Peak nicht benötigen.
Wählen Sie so:
- 976 nm stabilisiert wenn Effizienz und kurze Absorptionslänge wichtiger sind als thermische Einfachheit: Kilowatt-Klasse-Oszillatoren, kurze aktive Fasern, Systeme mit strenger Kühlmittelkontrolle.
- 915 nm wenn Sie Toleranz wünschen: verzeihende thermische Umgebungen, lange Absorptionslängen, die die Wärmelast entlang der Faser verteilen, TEC-loser Betrieb und niedrigere Kosten pro Watt.
Die 915-nm-Option verdient mehr Anerkennung, als sie normalerweise erhält. Das Verteilen der Pumppabsorption über eine längere Faser senkt die Spitzenwärmelast pro Längeneinheit, was genau das ist, was Sie wollen, wenn transversale Modeninstabilität Ihre Obergrenze ist und nicht die rohe Effizienz.
Thulium bei 793 nm: wo die Quantendefekt-Zahl Sie belügt
Wenn Sie die Formel wörtlich nehmen, sieht das Pumpen eines 1940-nm-Thulium-Lasers bei 793 nm schrecklich aus. Der Quantendefekt beträgt fast 591 TP3T. Auf dem Papier sollte der Kristall kochen.
Tut er nicht, wegen der Kreuzrelaxation. Ein absorbiertes 793-nm-Photon kann zwei angeregte Ionen im oberen Lasermanifold erzeugen, was die Quanteneffizienz auf etwa 2001 TP3T treibt und den effektiven thermischen Anteil auf etwas näher an 181 TP3T senkt. Dies ist ein Fall, in dem die Energieniveau-Struktur die Wellenlängenarithmetik schlägt, und es ist der Grund, warum 793 nm trotz der rohen Zahlen der Standard-Pump für Tm-dotierte Faser bleibt.
Achten Sie hier auf die Rückreflexionsspezifikation. Thulium-Systeme senden 2-µm-Licht zurück durch die Zuleitungsfaser, und ein Pumpmodul ohne Isolation im 1850–2100-nm-Band wird degradieren. Unsere 792- und 793-nm-Module tragen diese Isolation genau aus diesem Grund. Es ist die Art von Position, die nie in einer Wellenlängenvergleichstabelle erscheint, aber Garantien beendet.
Erbiumglas bei 1535 nm: bewusst einen großen Defekt zahlen
Pumpen Sie einen erbium-glass source at 976 nm to emit at 1535 nm and you accept a 36% quantum defect. No in-band alternative fixes it at that scale.
You take the hit because 1535 nm sits in the eye-safe band under IEC 60825, where the maximum permissible exposure is orders of magnitude higher than at 1064 nm. For a handheld or UAV-mounted rangefinder, that classification is the product requirement. Efficiency is negotiable; eye safety is not.
The fluorescence lifetime is what makes the trade survivable. Erbium in glass holds energy for milliseconds rather than microseconds, so a small, low-average-power pump diode can slowly fill the medium and a Q-switch can release it as a millijoule-class pulse. That storage behavior is the reason a 5 km rangefinder fits in a hand.
Ein Pumpdioden-Datenblatt skeptisch lesen
Four lines decide whether a pump module will do in your system what it did on the supplier’s bench.
The drift specification, not the center wavelength. A center wavelength is measured at one case temperature. Multiply the drift coefficient by your actual operating window and see where the wavelength lands at both ends. If the result leaves the absorption feature, the center wavelength was never the relevant number.
The power range over which the lock holds. Wavelength-stabilized modules typically guarantee the lock between about 30% and 100% of rated power. Below that floor the grating can stop dominating and the diode reverts to free-running behavior. If your system dims the pump during warmup or standby, verify what happens down there.
Back-reflection isolation band. Ask which wavelengths are isolated, not whether isolation exists. An 808 nm pump for Nd needs protection around 1030–1200 nm. A thulium pump needs 1850–2100 nm. They are not the same part.
Core diameter and NA against your actual coupling. A 200 µm core at 0.22 NA and a 105 µm core at the same power are different beams entering your crystal. The smaller core concentrates pump intensity, which raises gain and also raises local thermal gradient. Match it to the mode you are trying to pump, not to whichever is in stock.
Wie wir das angehen
We build pump sources for people who are designing a laser, not buying a finished one, so the conversation usually starts with the gain medium rather than a part number. What host, what doping, what pulse format, what coolant range. The wavelength falls out of those answers.
The specifications that make in-band pumping work are manufacturing outcomes, not marketing claims. A 0.015 nm/°C drift figure depends on how the grating is bonded and how the package is sealed. Our production flow runs incoming inspection, chip test, die bonding, fiber coupling and alignment, hermetic seam welding, then burn-in screening and full temperature cycling before final test. Early-life failures get screened on COS aging systems rather than discovered in your field units. That is what stands behind a locked wavelength spec.
If you are still deciding, our laser pumping solutions page maps the wavelength families against gain media and typical system classes.
Eine sinnvolle Reihenfolge der Schritte
- Fix the gain medium and output wavelength first. Everything else follows.
- Compute the quantum defect for each candidate pump wavelength. Note the thermal fraction difference in watts, not percent, at your design power.
- Check the fluorescence lifetime against your pulse format. Confirm your pump pulse duration and rep rate make sense against the storage time.
- Find the absorption bandwidth of the target feature. Compare it to diode drift across your real temperature window.
- Decide whether you can accommodate the longer absorption length that in-band pumping requires. If you cannot lengthen the crystal or raise the doping, stay at 808 nm and manage the heat.
- Specify isolation band, lock range, core, and NA before requesting a quote.
FAQ
Was ist der Quantendefekt in einem Laser?
The quantum defect is the fraction of pump photon energy lost as heat rather than converted to laser output, calculated as 1 − λ_pump/λ_laser. Pumping Nd:YAG at 808 nm for 1064 nm output gives 24%. Pumping the same output at 888 nm gives 16.5%. The difference appears directly as reduced thermal load in the crystal.
Why use 888 nm instead of 808 nm for Nd:YVO₄?
Drei Gründe: etwa ein Drittel weniger Wärmeentwicklung im Kristall, eine Absorption, die nahezu unabhängig von der Polarisation ist, sodass unpolarisiertes, fasergeführtes Pumplicht vorhersehbar funktioniert, und eine schwächere Absorption, die längere Kristalle mit sanfteren thermischen Gradienten ermöglicht. Der Preis ist eine strengere Wellenlängenanforderung und ein längeres Verstärkungselement.
Ist 915 nm oder 976 nm besser zum Pumpen von Ytterbium-Faser?
Neither is universally better. 976 nm gives higher efficiency and shorter absorption length but needs a wavelength-stabilized diode because Yb’s absorption peak there is only a few nanometers wide. 915 nm absorbs more weakly across a much broader band, tolerates thermal drift, and spreads heat along a longer fiber.
Was sagt dir die Fluoreszenzlebensdauer über ein Verstärkungsmedium?
It tells you how long the medium stores energy before spontaneous emission releases it. Long lifetimes such as erbium glass in the millisecond range support high pulse energy from modest pump power. Short lifetimes such as Nd:YVO₄ at 90–100 µs favor high repetition rate over high per-pulse energy.
Brauche ich eine wellenlängen-stabilisierte Pumpdiode?
Sie benötigen eine, wenn das Absorptionsmerkmal, das Sie anvisieren, schmaler ist als die Wellenlängendrift über Ihren Betriebstemperaturbereich. Multiplizieren Sie zuerst den Driftkoeffizienten mit Ihrem Temperaturfenster. In-Band-Nd-Pumpen und 976-nm-Yb-Pumpen erfordern fast immer eine Stabilisierung; 808 nm und 915 nm häufig nicht.
Bedeutet ein niedrigerer Quantendefekt immer eine höhere Effizienz?
Nein. Ein geringerer Quantendefekt reduziert den thermischen Anteil, aber wenn die schwächere Absorption bei dieser Wellenlänge Pumplicht unabsorbiert lässt, kann die Gesamteffizienz sinken. Thulium bei 793 nm zeigt den umgekehrten Fall: ein großer Quantendefekt, ausgeglichen durch Kreuzrelaxation, die zwei angeregte Ionen pro Pump-Photon erzeugt.
Nächster Schritt
Send us your gain medium, target output wavelength, pulse format, and coolant temperature range. Our engineers will come back with the wavelength options that actually fit, including the ones we do not sell if that is the right answer. Start a technical conversation.
Referenzen
- RP Photonics Enzyklopädie — Fluoreszenz
- RP Photonics Enzyklopädie — In-band Pumping und Lebensdauer des oberen Zustands
- McDonagh, Knappe et al., “888-nm pumping of Nd:YVO₄ for high-power high-efficiency TEM₀₀ lasers,” Proc. SPIE 6451 (2007)
- Laser Focus World — Verbessern Sie Ihren Nd-dotierten DPSS-Laser mit einer Pumpe längerer Wellenlänge
- IEC 60825-1, Safety of laser products — equipment classification and requirements