Laser čerpaný obloukovou lampou nebo zábleskovou lampou je obvykle čerpán přes boční stěnu laserového média, které má často podobu krystalové tyčinky obsahující kovovou příměs nebo skleněné trubice obsahující kapalné barvivo, za stavu známého jako „boční čerpání“. Aby se energie lampy využila co nejefektivněji, jsou lampy a laserové médium umístěny v reflexní dutině, která přesměruje většinu energie lampy do tyče nebo barvicího článku.
V nejběžnější konfiguraci má zesilovací médium podobu tyče umístěné v jednom ohnisku zrcadlové dutiny, která se skládá z eliptického průřezu kolmého k ose tyče. Zábleskovým zdrojem je trubice umístěná v druhém ohnisku elipsy. Povlak zrcadla se často volí tak, aby odrážel vlnové délky, které jsou kratší než výkon laseru, a zároveň pohlcoval nebo propouštěl vlnové délky, které jsou stejné nebo delší, aby se minimalizovalo tepelné čočkování. V jiných případech se používá absorbér pro delší vlnové délky. Výbojka je často obklopena válcovým pláštěm zvaným průtočná trubice. Tato průtočná trubice je obvykle vyrobena ze skla, které pohlcuje nevhodné vlnové délky, jako je ultrafialové záření, nebo poskytuje cestu chladicí vodě, která pohlcuje infračervené záření. Často je plášť opatřen dielektrickou vrstvou, která odráží nevhodné vlnové délky světla zpět do lampy. Toto světlo je absorbováno a část z něj je znovu vyzářena na vhodných vlnových délkách. Průtočná trubice také slouží k ochraně tyče v případě prudkého selhání lampy.
Menší elipsy vytvářejí méně odrazů (podmínka nazývaná „těsná vazba“), což dává vyšší intenzitu ve středu tyče. Pokud mají výbojka a tyč stejný průměr, je pro jednu svítilnu obvykle nejúčinnější elipsa, která je dvakrát tak široká, než je vysoká, při zobrazování světla do tyče. Tyč a výbojka jsou relativně dlouhé, aby se minimalizoval vliv ztrát na koncových plochách a aby se zajistila dostatečná délka zesilovacího média. Delší zábleskové lampy jsou také účinnější při přenosu elektrické energie na světlo díky vyšší impedanci. Pokud je však tyč v poměru ke svému průměru příliš dlouhá, může dojít ke stavu zvanému „prelasing“, který vyčerpá energii tyče dříve, než se může řádně vybudit. Konce tyčí jsou často opatřeny antireflexní vrstvou nebo seříznuty pod Brewsterovým úhlem, aby se tento efekt minimalizoval. Často se také používají plochá zrcadla na koncích dutiny čerpadla, aby se snížily ztráty.
Varianty této konstrukce používají složitější zrcadla složená z překrývajících se eliptických tvarů, aby bylo možné čerpat jedinou tyč více blesky. To umožňuje vyšší výkon, ale jsou méně účinné, protože ne všechno světlo je správně zobrazeno do tyče, což vede ke zvýšeným tepelným ztrátám. Tyto ztráty lze minimalizovat použitím těsně spřažené dutiny. Tento přístup však může umožnit symetričtější čerpání, čímž se zvýší kvalita svazku.
Další konfigurace využívá tyč a zábleskovou lampu v dutině z difúzně odrazného materiálu, jako je spektralon nebo práškový síran barnatý. Tyto dutiny jsou často kruhové nebo podlouhlé, protože zaostření světla není hlavním cílem. Tím se světlo nepropojuje tak dobře s laserovým prostředím, protože světlo provede mnoho odrazů, než dosáhne tyče, ale často vyžaduje méně údržby než metalizované reflektory. Zvýšený počet odrazů je kompenzován vyšší odrazivostí difuzního média: 99 % oproti 97 % u zlatého zrcadla. Tento přístup je kompatibilnější s neleštěnými tyčemi nebo vícenásobnými lampami.
Parazitní režimy vznikají, když se odrazy generují v jiných směrech než podél délky tyče, což může spotřebovat energii, která by jinak byla k dispozici paprsku. To může být problém zejména v případě, že je hlaveň tyče leštěná. Válcové laserové tyče podporují režimy šeptající galerie v důsledku úplného vnitřního odrazu mezi tyčí a chladicí vodou, které se odrážejí nepřetržitě po obvodu tyče. Režimy světelné trubice se mohou odrážet po délce tyče klikatou cestou. Pokud má tyč antireflexní povlak nebo je ponořena do kapaliny, která odpovídá jejímu indexu lomu, může tyto parazitní odrazy výrazně omezit. Stejně tak, pokud je hlaveň tyče hrubě broušená (matná) nebo drážkovaná, lze vnitřní odrazy rozptýlit.
Pumpování jednou lampou má tendenci soustředit většinu energie na jednu stranu, což zhoršuje profil paprsku. Je běžné, že tyče mají matný tubus, který rozptyluje světlo a zajišťuje rovnoměrnější rozložení světla po celé tyči. To umožňuje větší absorpci energie v celém zesilovacím médiu pro lepší příčný režim. Matná průtočná trubice nebo difuzní reflektor sice vede ke snížení účinnosti přenosu, ale pomáhá tento efekt zvýšit, čímž se zlepší zisk.
Hostitelské materiály laseru se volí tak, aby měly nízkou absorpci; absorbuje pouze dopant. Proto se veškeré světlo na frekvencích, které nejsou absorbovány dopováním, vrací zpět do lampy a znovu zahřívá plazmu, čímž se zkracuje životnost lampy.
Čerpání zářivekPravit
Zábleskové lampy byly nejstarším zdrojem energie pro lasery. Používají se pro vysoké pulzní energie v pevnolátkových i barvivových laserech. Produkují široké spektrum světla, což způsobuje, že většina energie se ztrácí jako teplo v zesilovacím médiu. Zábleskové lampy mají také obvykle krátkou životnost. První laser se skládal ze šroubovicové zábleskové lampy obklopující rubínovou tyčinku.
Křemenné zábleskové lampy jsou nejběžnějším typem používaným v laserech a při nízkých energiích nebo vysokých opakovacích frekvencích mohou pracovat při teplotách až 900 °C. Vyšší průměrné energie nebo opakovací frekvence vyžadují chlazení vodou. Voda se obvykle musí omývat nejen po celé délce oblouku lampy, ale i po elektrodové části skla. Vodou chlazené zábleskové lampy se obvykle vyrábějí se sklem smrštěným kolem elektrody, aby se umožnilo přímé chlazení wolframu. Pokud se elektroda zahřeje mnohem více než sklo, může tepelná roztažnost způsobit prasknutí těsnění.
Životnost lampy závisí především na energetickém režimu použitém pro danou lampu. Při nízkých energiích dochází k rozprašování, které může odstraňovat materiál z katody a znovu jej ukládat na sklo, čímž vzniká tmavý, zrcadlový vzhled. Životnost při nízkých energiích může být značně nepředvídatelná. Vysoké energie způsobují ablaci stěn, která nejenže dává sklu zakalený vzhled, ale také ho strukturálně oslabuje a uvolňuje kyslík, což ovlivňuje tlak, ale při těchto úrovních energie lze očekávanou životnost vypočítat s poměrně velkou přesností.
Délka trvání pulzu může také ovlivnit životnost. Velmi dlouhé pulzy mohou z katody odebírat velké množství materiálu a usazovat jej na stěnách. Při velmi krátkých délkách pulzů je třeba dbát na to, aby byl oblouk ve středu lampy, daleko od skla, čímž se zabrání vážné ablaci stěn. Pro krátké impulsy se obvykle nedoporučuje externí spouštění. Spouštění simulačním napětím se obvykle používá pro extrémně rychlé výboje, jaké se používají v barvicích laserech, a často se kombinuje s „technikou předimpulsu“, kdy se jako malý záblesk spustí jen milisekundy před hlavním zábleskem, aby se předehřál plyn pro rychlejší náběh.
Barvicí lasery někdy používají „axiální čerpání“, které se skládá z duté, prstencově tvarované zábleskové lampy, jejíž vnější obal je zrcadlově obrácený, aby odrážel vhodné světlo zpět do středu. Barvicí článek je umístěn uprostřed, což zajišťuje rovnoměrnější rozložení čerpacího světla a účinnější přenos energie. Dutá záblesková výbojka má také nižší indukčnost než běžná záblesková výbojka, což zajišťuje kratší zábleskový výboj. Zřídka se u barvicích laserů používá „koaxiální“ konstrukce, která se skládá z normální zábleskové lampy obklopené barvicím článkem ve tvaru prstence. To zajišťuje lepší přenosovou účinnost, protože odpadá potřeba reflektoru, ale difrakční ztráty způsobují nižší zisk.
Výstupní spektrum zábleskové lampy je především součinem její proudové hustoty. Po určení „energie výbuchu“ pro dobu trvání impulsu (množství energie, které ji zničí během jednoho až deseti záblesků) a zvolení bezpečné úrovně energie pro provoz lze nastavit rovnováhu napětí a kapacity tak, aby se výstup soustředil kamkoli od blízkého infračerveného až po vzdálené ultrafialové záření. Nízká proudová hustota je výsledkem použití velmi vysokého napětí a nízkého proudu. To vytváří rozšířené spektrální čáry s výstupem soustředěným v blízkém infračerveném pásmu a je nejlepší pro čerpání infračervených laserů, jako jsou Nd:YAG a erbium:YAG. Vyšší proudové hustoty rozšiřují spektrální čáry do té míry, že se začnou slévat a vzniká kontinuální záření. Delší vlnové délky dosahují úrovně nasycení při nižších proudových hustotách než kratší vlnové délky, takže se zvyšováním proudu se výstupní střed posune směrem k vizuálnímu spektru, což je lepší pro čerpání laserů s viditelným světlem, jako je rubín. V tomto bodě se plyn stává téměř ideálním „greybodyho zářičem“. Ještě vyšší proudové hustoty vytvoří záření černého tělesa, které vystředí výstup do ultrafialové oblasti.
Xenon se používá ve velké míře díky své dobré účinnosti, ačkoli krypton se často používá pro čerpání neodymem dopovaných laserových tyčí. Je to proto, že spektrální čáry v blízkém infračerveném pásmu lépe odpovídají absorpčním čarám neodymu, díky čemuž má krypton lepší účinnost přenosu, i když jeho celkový výstupní výkon je nižší. To je zvláště účinné u Nd:YAG, který má úzký absorpční profil. Čerpáním kryptonem mohou tyto lasery dosáhnout až dvojnásobného výstupního výkonu oproti xenonu. Při čerpání Nd:YAG kryptonem se obvykle volí emise spektrálních čar, ale protože všechny spektrální čáry xenonu míjejí absorpční pásma Nd:YAG, používá se při čerpání xenonem emise kontinua.
Čerpání obloukovou lampouEdit
Obloukové výbojky se používají pro čerpací tyče, které vydrží nepřetržitý provoz, a mohou být vyrobeny v libovolné velikosti a výkonu. Typické obloukové lampy pracují při dostatečně vysokém napětí, aby se udržela určitá úroveň proudu, pro kterou byla lampa navržena. Ta se často pohybuje v rozmezí 10 až 50 ampér. Vzhledem k velmi vysokým tlakům vyžadují obloukové lampy speciálně navržené obvody pro spuštění neboli „zažehnutí“ oblouku. K úderu dochází obvykle ve třech fázích. Ve fázi spouštění vytvoří extrémně vysoký napěťový impuls ze „sériového spouštěcího“ transformátoru mezi elektrodami proud jisker, ale impedance je příliš vysoká na to, aby se mohlo převzít hlavní napětí. Poté se spustí fáze „zvyšování napětí“, kdy je lampou vedeno napětí, které je vyšší než úbytek napětí mezi elektrodami, dokud se plyn nezahřeje do plazmového stavu. Když se impedance dostatečně sníží, nastoupí fáze „řízení proudu“, kdy hlavní napětí začne řídit proud na stabilní úroveň.
Čerpání obloukovou lampou probíhá v dutině podobné laseru čerpanému zábleskovou lampou, s tyčí a jednou nebo více lampami v dutině reflektoru. Přesný tvar dutiny často závisí na tom, kolik výbojek je použito. Hlavní rozdíl je v chlazení. Obloukové lampy je třeba chladit vodou, přičemž je třeba zajistit, aby se voda dostala za sklo a také přes elektrodové konektory. To vyžaduje použití deionizované vody s odporem nejméně 200 kiloohmů, aby nedošlo ke zkratování obvodu a korozi elektrod elektrolýzou. Voda je obvykle vedena průtokovou trubicí rychlostí 4 až 10 litrů za minutu.
Obloukové lampy se vyrábějí téměř ve všech typech vzácných plynů, včetně xenonu, kryptonu, argonu, neonu a helia, které všechny vyzařují spektrální čáry velmi specifické pro daný plyn. Výstupní spektrum obloukové lampy závisí především na typu plynu, přičemž se jedná o úzkopásmové spektrální čáry velmi podobné zábleskové lampě provozované při nízkých proudových hustotách. Výstup je nejvyšší v blízké infračervené oblasti a obvykle se používají k čerpání infračervených laserů, jako je Nd:YAG.
Čerpání externím laseremEdit
Laser vhodného typu lze použít k čerpání jiného laseru. Úzké spektrum čerpacího laseru umožňuje jeho těsné sladění s absorpčními čarami laserového média, což mu umožňuje mnohem účinnější přenos energie než širokopásmové vyzařování zábleskových lamp. Diodové lasery čerpají pevnolátkové lasery a lasery s kapalným barvivem. Často se používá prstencová konstrukce laseru, zejména u barvicích laserů. Prstencový laser používá tři nebo více zrcadel, která odrážejí světlo po kruhové dráze. To pomáhá eliminovat stojaté vlnění generované většinou Fabryho-Pérotových rezonátorů, což vede k lepšímu využití energie zesilovacího média.
Další metody optického čerpáníEdit
K excitaci plynových laserů lze použít mikrovlny nebo radiofrekvenční EM záření.