Pumpen von HohlräumenEdit
Ein mit einer Bogenlampe oder Blitzlampe gepumpter Laser wird in der Regel durch die Seitenwand des Lasermediums gepumpt, das oft in Form eines Kristallstabs mit einer metallischen Verunreinigung oder einer Glasröhre mit einem flüssigen Farbstoff vorliegt, was als „Seitenpumpen“ bezeichnet wird. Um die Energie der Lampe möglichst effizient zu nutzen, befinden sich die Lampen und das Lasermedium in einem reflektierenden Hohlraum, der den größten Teil der Lampenenergie in den Stab oder die Farbstoffzelle umleitet.
In der gebräuchlichsten Konfiguration hat das Verstärkungsmedium die Form eines Stabes, der sich in einem Brennpunkt eines gespiegelten Hohlraums befindet, der aus einem elliptischen Querschnitt senkrecht zur Stabachse besteht. Die Blitzlampe ist eine Röhre, die sich im anderen Brennpunkt der Ellipse befindet. Häufig wird die Beschichtung des Spiegels so gewählt, dass Wellenlängen, die kürzer als die Laserleistung sind, reflektiert werden, während Wellenlängen, die gleich oder länger sind, absorbiert oder durchgelassen werden, um die thermische Linsenbildung zu minimieren. In anderen Fällen wird ein Absorber für die längeren Wellenlängen verwendet. Häufig ist die Lampe von einem zylindrischen Mantel, dem so genannten Strömungsrohr, umgeben. Dieses Strömungsrohr besteht in der Regel aus einem Glas, das ungeeignete Wellenlängen, z. B. Ultraviolett, absorbiert oder einen Weg für Kühlwasser bietet, das Infrarot absorbiert. Häufig ist der Mantel mit einer dielektrischen Beschichtung versehen, die ungeeignete Wellenlängen des Lichts zurück in die Lampe reflektiert. Dieses Licht wird absorbiert und ein Teil davon wird bei geeigneten Wellenlängen wieder emittiert. Das Strömungsrohr dient auch dazu, den Stab im Falle eines heftigen Lampenausfalls zu schützen.
Kleinere Ellipsen erzeugen weniger Reflexionen (ein Zustand, der als „enge Kopplung“ bezeichnet wird), was zu einer höheren Intensität in der Mitte des Stabes führt. Wenn bei einer einzelnen Blitzlampe Lampe und Stab den gleichen Durchmesser haben, ist eine Ellipse, die doppelt so breit wie hoch ist, in der Regel am effizientesten bei der Abbildung des Lichts in den Stab. Der Stab und die Lampe sind relativ lang, um die Verluste an den Endflächen zu minimieren und eine ausreichende Länge des Verstärkungsmediums zu gewährleisten. Längere Blitzlampen sind auch effizienter bei der Übertragung von elektrischer Energie in Licht, da sie eine höhere Impedanz aufweisen. Ist der Stab jedoch im Verhältnis zu seinem Durchmesser zu lang, kann es zum so genannten „Prelasing“ kommen, bei dem die Energie des Stabs verbraucht wird, bevor sie sich richtig aufbauen kann. Um diesen Effekt zu minimieren, werden die Stabenden häufig entspiegelt oder im Brewster-Winkel abgeschnitten. An den Enden des Pumpenhohlraums werden häufig auch flache Spiegel verwendet, um die Verluste zu verringern.
Varianten dieses Designs verwenden komplexere Spiegel, die aus sich überlappenden elliptischen Formen bestehen, damit mehrere Blitzlampen einen einzigen Stab pumpen können. Dies ermöglicht eine höhere Leistung, ist aber weniger effizient, da nicht das gesamte Licht korrekt in den Stab abgebildet wird, was zu erhöhten Wärmeverlusten führt. Diese Verluste können durch die Verwendung einer eng gekoppelten Kavität minimiert werden. Dieser Ansatz kann ein symmetrischeres Pumpen ermöglichen, was jedoch die Strahlqualität erhöht.
Eine andere Konfiguration verwendet einen Stab und eine Blitzlampe in einem Hohlraum aus einem diffus reflektierenden Material wie Spectralon oder Bariumsulfatpulver. Diese Hohlräume sind oft kreisförmig oder länglich, da die Fokussierung des Lichts nicht das Hauptziel ist. Sie koppeln das Licht nicht so gut in das Lasermedium ein, da das Licht viele Reflexionen durchläuft, bevor es den Stab erreicht, sind aber oft wartungsärmer als metallisierte Reflektoren. Die erhöhte Anzahl der Reflexionen wird durch das höhere Reflexionsvermögen des diffusen Mediums ausgeglichen: 99 % gegenüber 97 % bei einem Goldspiegel. Dieser Ansatz ist besser mit unpolierten Stäben oder Mehrfachlampen kompatibel.
Parasitäre Moden treten auf, wenn Reflexionen in anderen Richtungen als entlang der Länge des Stabs erzeugt werden, was Energie verbrauchen kann, die sonst für den Strahl zur Verfügung stehen würde. Dies kann ein besonderes Problem darstellen, wenn der Stab poliert ist. Zylindrische Laserstäbe unterstützen Flüstergalerie-Moden aufgrund der internen Totalreflexion zwischen dem Stab und dem Kühlwasser, die kontinuierlich um den Umfang des Stabs herum reflektiert werden. Lichtleitermoden können in einem Zickzackkurs über die Länge des Stabs reflektiert werden. Wenn der Stab mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist oder in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, die seinem Brechungsindex entspricht, können diese parasitären Reflexionen drastisch reduziert werden. Ebenso können interne Reflexionen gestreut werden, wenn der Schaft des Stabes rau geschliffen (mattiert) oder gerillt ist.
Pumpen mit einer einzigen Lampe führt dazu, dass die meiste Energie auf eine Seite konzentriert wird, was das Strahlprofil verschlechtert. Es ist üblich, dass die Stäbe einen mattierten Schaft haben, um das Licht zu streuen und eine gleichmäßigere Verteilung des Lichts im Stab zu erreichen. Dadurch wird mehr Energie im gesamten Verstärkungsmedium absorbiert, was zu einem besseren transversalen Modus führt. Ein mattiertes Strömungsrohr oder ein diffuser Reflektor führt zwar zu einer geringeren Übertragungseffizienz, trägt aber dazu bei, diesen Effekt zu verstärken und die Verstärkung zu verbessern.
Laserwirtsmaterialien werden so ausgewählt, dass sie eine geringe Absorption aufweisen; nur der Dotierstoff absorbiert. Daher wird jegliches Licht mit Frequenzen, die nicht von der Dotierung absorbiert werden, in die Lampe zurückgeführt und heizt das Plasma wieder auf, wodurch sich die Lebensdauer der Lampe verkürzt.
Blitzlampen-PumpenBearbeiten
Blitzlampen waren die früheste Energiequelle für Laser. Sie werden für hohe gepulste Energien sowohl in Festkörper- als auch in Farbstofflasern verwendet. Sie erzeugen ein breites Lichtspektrum, so dass ein Großteil der Energie als Wärme im Verstärkungsmedium verloren geht. Außerdem haben Blitzlampen in der Regel eine kurze Lebensdauer. Der erste Laser bestand aus einer spiralförmigen Blitzlampe, die einen Rubinstab umgab.
Quarzblitzlampen sind der am häufigsten verwendete Lasertyp und können bei niedrigen Energien oder hohen Wiederholungsraten bei Temperaturen von bis zu 900 °C arbeiten. Höhere mittlere Leistungen oder Wiederholungsraten erfordern eine Wasserkühlung. Das Wasser muss in der Regel nicht nur über die Bogenlänge der Lampe, sondern auch über den Elektrodenbereich des Glases fließen. Bei der Herstellung wassergekühlter Blitzlampen wird das Glas in der Regel um die Elektrode herum geschrumpft, um eine direkte Kühlung des Wolframs zu ermöglichen. Wenn sich die Elektrode stärker erwärmt als das Glas, kann die thermische Ausdehnung die Dichtung sprengen.
Die Lebensdauer der Lampe hängt in erster Linie von der für die jeweilige Lampe verwendeten Energie ab. Bei niedrigen Energien kommt es zu Sputtereffekten, die Material von der Kathode abtragen und auf dem Glas wieder ablagern können, was zu einem verdunkelten, verspiegelten Aussehen führt. Die Lebenserwartung bei niedrigen Energien kann recht unvorhersehbar sein. Hohe Energien führen zu einer Wandablation, die dem Glas nicht nur ein trübes Aussehen verleiht, sondern es auch strukturell schwächt und Sauerstoff freisetzt, was sich auf den Druck auswirkt, aber bei diesen Energien kann die Lebenserwartung mit ziemlicher Genauigkeit berechnet werden.
Die Impulsdauer kann sich ebenfalls auf die Lebensdauer auswirken. Bei sehr langen Impulsen können große Mengen an Material von der Kathode abgetragen und an den Wänden abgelagert werden. Bei sehr kurzen Pulsdauern muss darauf geachtet werden, dass der Lichtbogen in der Lampe zentriert und weit vom Glas entfernt ist, um einen starken Wandabtrag zu vermeiden. Eine externe Zündung ist bei kurzen Impulsen in der Regel nicht zu empfehlen. Für extrem schnelle Entladungen, wie sie in Farbstofflasern verwendet werden, wird in der Regel eine Simmerspannungsauslösung verwendet, die oft mit einer „Vorpuls-Technik“ kombiniert wird, bei der ein kleiner Blitz nur wenige Millisekunden vor dem Hauptblitz ausgelöst wird, um das Gas für eine schnellere Anstiegszeit vorzuheizen.
Farbstofflaser verwenden manchmal das „axiale Pumpen“, das aus einer hohlen, ringförmigen Blitzlampe besteht, deren äußere Hülle gespiegelt ist, um geeignetes Licht zurück in die Mitte zu reflektieren. Die Farbstoffzelle befindet sich in der Mitte, was eine gleichmäßigere Verteilung des Pumplichts und eine effizientere Energieübertragung ermöglicht. Die Hohlblitzlampe hat auch eine geringere Induktivität als eine normale Blitzlampe, was eine kürzere Blitzentladung ermöglicht. Seltener wird für Farbstofflaser ein „koaxiales“ Design verwendet, das aus einer normalen Blitzlampe besteht, die von einer ringförmigen Farbstoffzelle umgeben ist. Dies bietet eine bessere Übertragungseffizienz, da kein Reflektor benötigt wird, aber Beugungsverluste verursachen eine geringere Verstärkung.
Das Ausgangsspektrum einer Blitzlampe ist in erster Linie ein Produkt ihrer Stromdichte. Nach der Bestimmung der „Explosionsenergie“ für die Impulsdauer (die Energiemenge, die die Lampe in einem bis zehn Blitzen zerstört) und der Wahl eines sicheren Energieniveaus für den Betrieb kann das Gleichgewicht von Spannung und Kapazität so eingestellt werden, dass die Leistung irgendwo zwischen dem nahen Infrarot und dem fernen Ultraviolett liegt. Niedrige Stromdichten ergeben sich aus der Verwendung von sehr hoher Spannung und niedrigem Strom. Dies führt zu einer Verbreiterung der Spektrallinien mit einer Zentrierung des Ausgangs im nahen Infrarot und eignet sich am besten zum Pumpen von Infrarotlasern wie Nd:YAG und Erbium:YAG. Höhere Stromdichten verbreitern die Spektrallinien bis zu dem Punkt, an dem sie zu verschmelzen beginnen und eine Kontinuumsemission erzeugt wird. Längere Wellenlängen erreichen die Sättigung bei niedrigeren Stromdichten als kürzere Wellenlängen, so dass sich das Leistungszentrum mit zunehmender Stromstärke in Richtung des sichtbaren Spektrums verschiebt, was für das Pumpen von Lasern mit sichtbarem Licht, wie Rubin, besser geeignet ist. An diesem Punkt wird das Gas zu einem nahezu idealen „Graukörper-Strahler“. Noch höhere Stromdichten führen zu Schwarzkörperstrahlung, die die Leistung im ultravioletten Bereich zentriert.
Xenon wird wegen seines guten Wirkungsgrades häufig verwendet, obwohl Krypton oft zum Pumpen von neodymdotierten Laserstäben eingesetzt wird. Dies liegt daran, dass die Spektrallinien im nahen IR-Bereich besser mit den Absorptionslinien von Neodym übereinstimmen, so dass Krypton eine bessere Transfereffizienz aufweist, obwohl seine Gesamtausgangsleistung geringer ist. Dies ist besonders effektiv bei Nd:YAG, das ein schmales Absorptionsprofil aufweist. Gepumpt mit Krypton können diese Laser eine bis zu doppelt so hohe Ausgangsleistung erreichen wie Xenon. Beim Pumpen von Nd:YAG mit Krypton wird in der Regel die Emission von Spektrallinien gewählt. Da jedoch alle Spektrallinien von Xenon die Absorptionsbanden von Nd:YAG verfehlen, wird beim Pumpen mit Xenon die Kontinuumsemission verwendet.
Pumpen mit BogenlampeEdit
Bogenlampen werden für Pumpstäbe verwendet, die einen kontinuierlichen Betrieb unterstützen können, und können in jeder Größe und Leistung hergestellt werden. Typische Bogenlampen werden mit einer Spannung betrieben, die hoch genug ist, um den bestimmten Strompegel aufrechtzuerhalten, für den die Lampe ausgelegt ist. Diese liegt oft im Bereich von 10 bis 50 Ampere. Aufgrund des sehr hohen Drucks benötigen Bogenlampen eine speziell entwickelte Schaltung für das Zünden des Lichtbogens. Das Zünden erfolgt in der Regel in drei Phasen. In der Zündungsphase erzeugt ein extrem hoher Spannungsimpuls aus dem „Serienzündtransformator“ einen Funkenstrom zwischen den Elektroden, aber die Impedanz ist zu hoch, als dass die Hauptspannung übernehmen könnte. Dann wird eine „Boost Voltage“-Phase eingeleitet, in der eine Spannung, die höher ist als der Spannungsabfall zwischen den Elektroden, durch die Lampe geleitet wird, bis das Gas zu einem Plasmazustand aufgeheizt ist. Wenn die Impedanz niedrig genug ist, beginnt die Phase der „Stromregelung“, in der die Hauptspannung den Strom auf ein stabiles Niveau treibt.
Das Pumpen von Bogenlampen erfolgt in einem Hohlraum, ähnlich wie bei einem blitzlampengepumpten Laser, mit einem Stab und einer oder mehreren Lampen in einem Reflektorhohlraum. Die genaue Form des Hohlraums hängt oft davon ab, wie viele Lampen verwendet werden. Der Hauptunterschied besteht in der Kühlung. Bogenlampen müssen mit Wasser gekühlt werden, wobei sichergestellt werden muss, dass das Wasser über das Glas und auch über die Elektrodenanschlüsse hinausgeht. Dazu muss entionisiertes Wasser mit einem Widerstand von mindestens 200 Kiloohm verwendet werden, damit der Stromkreis nicht kurzgeschlossen wird und die Elektroden nicht durch Elektrolyse korrodieren. Das Wasser wird in der Regel mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 10 Litern pro Minute durch ein Durchflussrohr geleitet.
Bogenlampen gibt es in fast allen Edelgasarten, einschließlich Xenon, Krypton, Argon, Neon und Helium, die alle sehr spezifische Spektrallinien aussenden. Das Ausgangsspektrum einer Bogenlampe hängt hauptsächlich von der Gasart ab, da es sich um schmalbandige Spektrallinien handelt, die denen einer Blitzlampe ähneln, die bei niedrigen Stromdichten betrieben wird. Die Leistung ist im nahen Infrarot am höchsten und wird in der Regel zum Pumpen von Infrarotlasern wie Nd:YAG verwendet.
Externes LaserpumpenBearbeiten
Ein Laser eines geeigneten Typs kann zum Pumpen eines anderen Lasers verwendet werden. Das schmale Spektrum des Pumplasers ermöglicht eine enge Anpassung an die Absorptionslinien des Lasermediums und damit eine wesentlich effizientere Energieübertragung als die breitbandige Emission von Blitzlampen. Diodenlaser pumpen Festkörperlaser und Flüssigfarbstofflaser. Vor allem bei Farbstofflasern wird häufig ein Ringlaser verwendet. Der Ringlaser verwendet drei oder mehr Spiegel, um das Licht auf einer kreisförmigen Bahn zu reflektieren. Dadurch wird die von den meisten Fabry-Pérot-Resonatoren erzeugte stehende Welle eliminiert, was zu einer besseren Nutzung der Energie des Verstärkungsmediums führt.
Andere optische PumpmethodenEdit
Mikrowellen oder hochfrequente EM-Strahlung können zur Anregung von Gaslasern verwendet werden.