什么是泵浦激光？
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的数量。这提高了光激发发射的概率，从而产生激光。
抽水蓄能
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。无论采用哪种泵浦方法，实现激光作用的关键都在于在增益介质中产生粒子数反转。这是因为激光作用基于一种称为受激辐射的过程。该过程最初由爱因斯坦提出。如果增益介质中的激发态原子或分子被入射光子激发，就会发射出波长和相位相同的第二个光子。
这一放大过程导致了高意光的产生。高意光具有单一的波长和方向。然而，激发态粒子发生受激辐射的概率在很大程度上取决于激发态粒子的数量。因此，激发态粒子的数量必须超过基态粒子的数量。否则，其他机制将占据主导地位，而泵浦能量将以热能或随机光（自发辐射）的形式散失。这一临界点有时被称为泵浦阈值。
让我们来看看在最常见的激光器类型中，这一过程是如何运作的。
激光器的类型通常根据其所选用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
在光泵浦过程中，激发光的波长必须与增益介质的吸收光谱相匹配。当增益介质吸收激发光后，其电子能级升高，从而导致粒子数反转。
光泵浦是泵浦固体激光器最常见的方法，其中增益介质是一块玻璃或晶体。多年来，激发光一直由强光闪光灯提供，这是一种能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，然后将其聚焦到增益介质上。历史上第一台激光器就是这种类型的固态激光器：由闪光灯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广，但固态增益介质通常只吸收一个或几个非常特定的波长。因此，闪光灯的大部分能量最终都转化为热量。因此，这种激光器需要采用主动水冷。这还限制了在不损害输出光束质量的情况下调节激光功率的能力，因为这会导致一种称为“热透镜”的问题。
为了减少这种发热问题，可以使用半导体激光器来替代闪光灯。半导体激光器是一种电泵浦半导体芯片——详见下文。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，这种类型的激光器被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，增益介质以液态形式存在：即含有荧光染料的溶剂。这些激光器采用光泵浦，有时由另一台激光器提供泵浦，有时由闪光灯提供泵浦。染料激光器一直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。但如今，大多数需要波长调谐的应用已转而采用基于钛的固态替代品：蓝宝石 (Ti:S) 或钇增益介质。不过，由闪光灯泵浦的脉冲染料激光器偶尔仍会被用于少数利基应用，例如碎石术。
钛蓝宝石激光器是一种固态激光器，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。此类激光器在科学领域得到广泛应用，因为它们能在较宽的波长范围内产生激光，适用于需要简单调谐的应用，例如荧光显微镜和流式细胞术。此类激光器还能实现脉冲工作。通过使用一种称为模式锁定的方法，其脉冲可短至几飞秒。
其他激光器采用半导体激光器进行光泵浦，包括镱掺杂玻璃和镱掺杂光纤，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，即让电流通过增益介质以激发原子或分子。几乎所有气体激光器都采用这种泵浦机制，在此机制中，电流通过低压气体产生等离子体。
电泵浦用于为准分子激光器提供能量。这种气体激光器功率强大，发射的深紫外激光脉冲能量极高。准分子激光器的独特性能机制是制造高性能显示屏的几个关键工艺的核心，包括基于OLED和最新微OLED技术的显示屏。准分子激光器还用于屈光性眼科手术（如LASIK），用于矫正视力问题。此外，它们正逐渐成为许多新兴脉冲激光沉积（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，是依赖电泵浦的典型代表，曾一度主导了需要可见光波长的激光应用。尽管它们产生的光束质量很高，但其波长选择有限，电效率极低，因此现在仅作为小众产品存在。以前采用此类激光器的应用，现在通常改用半导体激光器、DPSS 激光器或光泵浦半导体激光器 (OPSL) — 详见下文。
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 结用于产生粒子数反转。p-n 结是两种类型半导体之间的界面，其中 p 型半导体中含有过量的带正电的空穴，而 n 型半导体中含有过量的带负电的电子。当在 p-n 结上施加电压时，电子和空穴被注入到半导体中，从而产生粒子数反转并引发激光发射。
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且独特的激光器类型，即光泵浦半导体激光器（OPSL）。这种激光器包含一种特殊的半导体芯片，其泵浦并非通过电能，而是通过一个或多个半导体激光器发出的光来实现。OPSL 具有几个独特的优势。其半导体结构可以针对近红外光谱中的任何特定波长进行设计。此外，近红外波长的频率可以通过倍频达到可见光频率，甚至可以通过三倍频产生紫外线输出，因此这类激光器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 的示例包括高意 Verdi、Sapphire、Genesis 和OBIS系列激光器。这些激光器广泛应用于生命科学领域，特别是流式细胞术和共聚焦显微分析。OPSL还被用于壮观的多色激光灯光表演，因为它们提供的颜色比其他任何类型的激光器都要丰富。
化学泵
化学泵浦是一种很少使用的激光泵浦方法，它利用化学反应在增益介质中产生粒子数反转。化学泵浦主要应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在化学激光器中燃烧氢气和氟气，从而产生粒子数反转并激发激光。
总结
总之，激光泵浦是激光系统中产生高强度、高能光的关键过程。无论通过光学、电学还是化学手段实现，激光泵浦的核心都在于在增益介质中产生粒子数反转，从而实现受激辐射并产生激光。