Cavidades de bombeoEditar
Un láser bombeado con una lámpara de arco o una linterna suele ser bombeado a través de la pared lateral del medio emisor de láser, que a menudo tiene la forma de una varilla de cristal que contiene una impureza metálica o un tubo de vidrio que contiene un colorante líquido, en una condición conocida como «bombeo lateral». Para utilizar la energía de la lámpara de la forma más eficiente, las lámparas y el medio emisor de láser están contenidos en una cavidad reflectante que redirigirá la mayor parte de la energía de la lámpara hacia la varilla o la célula de tinte.
En la configuración más común, el medio de ganancia tiene la forma de una varilla situada en uno de los focos de una cavidad espejada, que consiste en una sección transversal elíptica perpendicular al eje de la varilla. La lámpara de destello es un tubo situado en el otro foco de la elipse. A menudo, el revestimiento del espejo se elige para reflejar las longitudes de onda más cortas que la salida de láser, mientras que absorbe o transmite las longitudes de onda iguales o más largas, para minimizar las lentes térmicas. En otros casos, se utiliza un absorbente para las longitudes de onda más largas. A menudo, la lámpara está rodeada por una camisa cilíndrica llamada tubo de flujo. Este tubo de flujo suele estar hecho de un vidrio que absorbe longitudes de onda inadecuadas, como la ultravioleta, o proporciona una vía para el agua de refrigeración que absorbe los infrarrojos. A menudo, la cubierta está dotada de un revestimiento dieléctrico que refleja las longitudes de onda inadecuadas de la luz hacia la lámpara. Esta luz es absorbida y parte de ella es reemitida a longitudes de onda adecuadas. El tubo de flujo también sirve para proteger la varilla en caso de un fallo violento de la lámpara.
Las elipses más pequeñas crean menos reflexiones, (una condición llamada «close-coupling»), dando mayor intensidad en el centro de la varilla. Si la lámpara y la varilla tienen el mismo diámetro, una elipse que sea el doble de ancha que de alta suele ser la más eficaz para reflejar la luz en la varilla. La varilla y la lámpara son relativamente largas para minimizar el efecto de las pérdidas en las caras extremas y para proporcionar una longitud suficiente de medio de ganancia. Las linternas más largas también son más eficientes en la transferencia de energía eléctrica en luz, debido a una mayor impedancia. Sin embargo, si la varilla es demasiado larga en relación con su diámetro puede producirse una condición llamada «prelasing», que agota la energía de la varilla antes de que pueda acumularse adecuadamente. Para minimizar este efecto, los extremos de la varilla suelen llevar un revestimiento antirreflectante o estar cortados en el ángulo de Brewster. También se suelen utilizar espejos planos en los extremos de la cavidad de la bomba para reducir las pérdidas.
Las variaciones de este diseño utilizan espejos más complejos compuestos por formas elípticas superpuestas, para permitir que varias linternas bombeen una sola varilla. Esto permite una mayor potencia, pero son menos eficientes porque no toda la luz es correctamente imaginada en la varilla, lo que conduce a un aumento de las pérdidas térmicas. Estas pérdidas pueden minimizarse utilizando una cavidad acoplada. Sin embargo, este enfoque puede permitir un bombeo más simétrico, aumentando la calidad del haz.
Otra configuración utiliza una varilla y una lámpara de flash en una cavidad hecha de un material reflectante difuso, como el espectralón o el sulfato de bario en polvo. Estas cavidades suelen ser circulares u oblongas, ya que enfocar la luz no es un objetivo primordial. Esto no acopla la luz tan bien al medio emisor de láser, ya que la luz hace muchas reflexiones antes de llegar a la varilla, pero suele requerir menos mantenimiento que los reflectores metalizados. El mayor número de reflexiones se compensa con la mayor reflectividad del medio difuso: 99% frente al 97% de un espejo de oro. Este enfoque es más compatible con varillas no pulidas o con lámparas múltiples.
Los modos parasitarios se producen cuando se generan reflexiones en direcciones distintas a la longitud de la varilla, lo que puede consumir energía que de otro modo estaría disponible para el haz. Esto puede ser un problema especial si el cañón de la varilla está pulido. Las varillas láser cilíndricas admiten modos de galería de susurros debido a la reflexión interna total entre la varilla y el agua de refrigeración, que se reflejan continuamente alrededor de la circunferencia de la varilla. Los modos de tubo de luz pueden reflejarse a lo largo de la varilla en una trayectoria en zig-zag. Si la varilla tiene un revestimiento antirreflectante, o se sumerge en un fluido que coincida con su índice de refracción, puede reducir drásticamente estas reflexiones parásitas. Del mismo modo, si el barril de la varilla es rugoso (esmerilado), o tiene ranuras, las reflexiones internas pueden dispersarse.
El bombeo con una sola lámpara tiende a concentrar la mayor parte de la energía en un lado, empeorando el perfil del haz. Es común que las varillas tengan un barril esmerilado, para difundir la luz, proporcionando una distribución más uniforme de la luz en toda la varilla. Esto permite una mayor absorción de energía en todo el medio de ganancia para un mejor modo transversal. Un tubo de flujo esmerilado o un reflector difuso, aunque conduce a una menor eficiencia de transferencia, ayuda a aumentar este efecto, mejorando la ganancia.
Los materiales anfitriones del láser se eligen para que tengan una baja absorción; sólo el dopante absorbe. Por lo tanto, cualquier luz en frecuencias no absorbidas por el dopante volverá a la lámpara y recalentará el plasma, acortando la vida de la lámpara.
Bombeo de lámparas de flashEditar
Las linternas fueron la primera fuente de energía para los láseres. Se utilizan para obtener altas energías pulsadas tanto en los láseres de estado sólido como en los de colorante. Producen un amplio espectro de luz, lo que hace que la mayor parte de la energía se pierda en forma de calor en el medio de ganancia. Las linternas también suelen tener una vida corta. El primer láser consistía en una lámpara de flash helicoidal que rodeaba una varilla de rubí.
Las lámparas de flash de cuarzo son el tipo más comúnmente utilizado en los láseres y, a bajas energías o altas tasas de repetición, pueden funcionar a temperaturas de hasta 900 °C. Las potencias medias o las tasas de repetición más elevadas requieren la refrigeración por agua. El agua normalmente tiene que lavar no sólo la longitud del arco de la lámpara, sino también la parte del electrodo del vidrio. Las linternas refrigeradas por agua suelen fabricarse con el vidrio encogido alrededor del electrodo para permitir la refrigeración directa del tungsteno. Si se permite que el electrodo se caliente mucho más que el vidrio, la expansión térmica puede agrietar el sello.
La vida útil de la lámpara depende principalmente del régimen de energía utilizado para la lámpara en particular. Las energías bajas dan lugar a la pulverización, que puede eliminar el material del cátodo y volver a depositarlo en el vidrio, creando un aspecto oscurecido y espejado. La esperanza de vida a bajas energías puede ser bastante imprevisible. Las energías altas provocan la ablación de la pared, lo que no sólo da al vidrio un aspecto turbio, sino que también lo debilita estructuralmente y libera oxígeno, lo que afecta a la presión, pero a estos niveles de energía la esperanza de vida puede calcularse con bastante precisión.
La duración del pulso también puede afectar a la vida útil. Los pulsos muy largos pueden arrancar grandes cantidades de material del cátodo, depositándolo en las paredes. Con duraciones de pulso muy cortas, hay que tener cuidado de que el arco esté centrado en la lámpara, lejos del cristal, para evitar una ablación grave de las paredes. El disparo externo no suele recomendarse para pulsos cortos. El disparo a tensión simulada se suele utilizar para descargas extremadamente rápidas, como las que se emplean en los láseres de colorante, y a menudo se combina con una «técnica de prepulso», en la que se inicia un pequeño destello apenas unos milisegundos antes del destello principal, para precalentar el gas y conseguir un tiempo de subida más rápido.
Los láseres de colorante utilizan a veces el «bombeo axial», que consiste en una lámpara de destello hueca y de forma anular, con la envoltura exterior reflejada para reflejar la luz adecuada hacia el centro. La célula de colorante se coloca en el centro, lo que proporciona una distribución más uniforme de la luz de bombeo y una transferencia de energía más eficaz. La linterna hueca también tiene una inductancia menor que una linterna normal, lo que proporciona una descarga de flash más corta. En raras ocasiones, se utiliza un diseño «coaxial» para los láseres de colorante, que consiste en una lámpara de flash normal rodeada por una célula de colorante de forma anular. Esto proporciona una mejor eficiencia de transferencia, eliminando la necesidad de un reflector, pero las pérdidas por difracción causan una menor ganancia.
El espectro de salida de una lámpara de flash es principalmente un producto de su densidad de corriente. Después de determinar la «energía de explosión» para la duración del impulso, (la cantidad de energía que lo destruirá en uno a diez destellos), y de elegir un nivel de energía seguro para el funcionamiento, el equilibrio de la tensión y la capacitancia puede ajustarse para centrar la salida en cualquier lugar desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta lejano. Las bajas densidades de corriente resultan del uso de un voltaje muy alto y una corriente baja. Esto produce líneas espectrales ensanchadas con la salida centrada en el infrarrojo cercano, y es lo mejor para bombear láseres infrarrojos como el Nd:YAG y el erbio:YAG. Las densidades de corriente más altas amplían las líneas espectrales hasta el punto de que empiezan a mezclarse y se produce una emisión continua. Las longitudes de onda más largas alcanzan niveles de saturación a densidades de corriente más bajas que las longitudes de onda más cortas, por lo que, a medida que se aumenta la corriente, el centro de salida se desplaza hacia el espectro visual, que es mejor para bombear láseres de luz visible, como el rubí. En este punto, el gas se convierte casi en un «radiador de cuerpo gris» ideal. Incluso densidades de corriente más altas producirán una radiación de cuerpo negro, centrando la salida en el ultravioleta.
El xenón se utiliza ampliamente debido a su buena eficiencia, aunque el criptón se utiliza a menudo para bombear barras de láser dopadas con neodimio. Esto se debe a que las líneas espectrales en el rango del infrarrojo cercano coinciden mejor con las líneas de absorción del neodimio, lo que hace que el criptón tenga una mayor eficiencia de transferencia aunque su potencia total sea menor. Esto es especialmente eficaz con el Nd:YAG, que tiene un perfil de absorción estrecho. Bombeados con criptón, estos láseres pueden alcanzar hasta el doble de la potencia de salida obtenida con el xenón. Cuando se bombea Nd:YAG con criptón se suele optar por la emisión de líneas espectrales, pero como todas las líneas espectrales del xenón no alcanzan las bandas de absorción del Nd:YAG, cuando se bombea con xenón se utiliza la emisión del continuo.
Bombeo con lámpara de arcoEditar
Las lámparas de arco se utilizan para el bombeo de varillas que pueden soportar un funcionamiento continuo, y pueden hacerse de cualquier tamaño y potencia. Las lámparas de arco típicas operan a un voltaje lo suficientemente alto como para mantener el determinado nivel de corriente para el que la lámpara fue diseñada. Esto suele estar en el rango de 10 a 50 amperios. Debido a sus elevadas presiones, las lámparas de arco requieren un circuito especialmente diseñado para el arranque, o «encendido» del arco. El encendido suele producirse en tres fases. En la fase de disparo, un impulso de tensión extremadamente alta procedente del transformador de «disparo en serie» crea una corriente de chispas entre los electrodos, pero la impedancia es demasiado alta para que la tensión principal se haga cargo. A continuación, se inicia una fase de «tensión de refuerzo», en la que se hace pasar por la lámpara una tensión superior a la caída de tensión entre los electrodos, hasta que el gas se calienta hasta alcanzar el estado de plasma. Cuando la impedancia es lo suficientemente baja, se inicia la fase de «control de la corriente», en la que el voltaje principal comienza a conducir la corriente a un nivel estable.
El bombeo de la lámpara de arco tiene lugar en una cavidad similar a la de un láser bombeado por una lámpara de flash, con una varilla y una o más lámparas en una cavidad reflectora. La forma exacta de la cavidad suele depender del número de lámparas que se utilicen. La principal diferencia está en la refrigeración. Las lámparas de arco deben enfriarse con agua, asegurándose de que el agua se desplace más allá del cristal y también a través de los conectores de los electrodos. Esto requiere el uso de agua desionizada con una resistividad de al menos 200 kilohmios, para evitar el cortocircuito del circuito y la corrosión de los electrodos por electrólisis. El agua suele canalizarse a través de un tubo de flujo a una velocidad de 4 a 10 litros por minuto.
Las lámparas de arco vienen en casi todos los tipos de gases nobles, incluyendo el xenón, el criptón, el argón, el neón y el helio, todos los cuales emiten líneas espectrales que son muy específicas para el gas. El espectro de salida de una lámpara de arco depende sobre todo del tipo de gas, siendo las líneas espectrales de banda estrecha muy similares a las de una lámpara de flash operada a bajas densidades de corriente. La salida es más alta en el infrarrojo cercano, y suelen utilizarse para bombear láseres infrarrojos como el Nd:YAG.
Bombeo de láser externoEditar
Un láser de un tipo adecuado puede utilizarse para bombear otro láser. El estrecho espectro del láser de bombeo le permite ajustarse estrechamente a las líneas de absorción del medio de láser, lo que le proporciona una transferencia de energía mucho más eficaz que la emisión de banda ancha de las lámparas de flash. Los láseres de diodo bombean láseres de estado sólido y láseres de colorante líquido. A menudo se utiliza un diseño de láser de anillo, especialmente en los láseres de colorante. El láser de anillo utiliza tres o más espejos para reflejar la luz en una trayectoria circular. Esto ayuda a eliminar la onda estacionaria generada por la mayoría de los resonadores Fabry-Pérot, lo que conduce a un mejor uso de la energía del medio de ganancia.
Otros métodos de bombeo ópticoEditar
Las microondas o la radiación EM de radiofrecuencia se pueden utilizar para excitar los láseres de gas.