Pumppausontelot Muokkaa
Kaarilampulla tai salamalampulla pumpattua laseria pumpataan tavallisesti laseroivan väliaineen sivuseinän läpi, joka on usein metallista epäpuhtautta sisältävän kidesauvan tai nestemäistä väriainetta sisältävän lasiputken muodossa, tilassa, jota kutsutaan nimellä ”sivupumppaus”. Jotta lampun energia käytettäisiin tehokkaimmin, lamput ja lasersäiliö sijaitsevat heijastavassa ontelossa, joka ohjaa suurimman osan lampun energiasta sauvaan tai väriainekennoon.
Yleisimmässä konfiguraatiossa vahvistava väliaine on sauvan muodossa, joka sijaitsee peilikuvioisen ontelon yhdessä fokuksessa ja koostuu sauvan akselia vastaan kohtisuorassa olevasta elliptisestä poikkileikkauksesta. Salamalamppu on putki, joka sijaitsee ellipsin toisessa polttopisteessä. Usein peilin pinnoite valitaan siten, että se heijastaa aallonpituuksia, jotka ovat lyhyempiä kuin laseriteho, ja absorboi tai läpäisee aallonpituuksia, jotka ovat samoja tai pidempiä, lämpölinssiutumisen minimoimiseksi. Muissa tapauksissa käytetään pidempiä aallonpituuksia absorboivaa ainetta. Usein lamppua ympäröi sylinterimäinen vaippa, jota kutsutaan virtausputkeksi. Virtausputki on yleensä valmistettu lasista, joka absorboi epäsopivia aallonpituuksia, kuten ultraviolettisäteilyä, tai se tarjoaa väylän jäähdytysvedelle, joka absorboi infrapunasäteilyä. Usein vaippa on päällystetty dielektrisellä pinnoitteella, joka heijastaa epäsopivat valon aallonpituudet takaisin lamppuun. Tämä valo absorboituu ja osa siitä emittoituu uudelleen sopivilla aallonpituuksilla. Virtausputken tehtävänä on myös suojata sauvaa siinä tapauksessa, että lamppu vioittuu rajusti.
Pienemmät ellipsit aiheuttavat vähemmän heijastuksia (tilaa kutsutaan ”lähikytkennäksi”), mikä antaa suuremman intensiteetin sauvan keskelle. Jos lamppu ja sauva ovat halkaisijaltaan yhtä suuria, yhden salamalampun kohdalla ellipsi, joka on kaksi kertaa leveämpi kuin korkea, on yleensä tehokkain kuvaamaan valoa sauvaan. Sauva ja lamppu ovat suhteellisen pitkiä, jotta minimoidaan häviöiden vaikutus päätepinnoilla ja jotta saadaan aikaan riittävän pitkä vahvistava väliaine. Pidemmät salamalamput ovat myös tehokkaampia siirtämään sähköenergiaa valoksi suuremman impedanssin vuoksi. Jos sauva on kuitenkin liian pitkä sen halkaisijaan nähden, voi syntyä niin sanottu ”prelasing”-tilanne, jolloin sauvan energia kuluu loppuun ennen kuin se ehtii kunnolla kehittyä. Sauvan päät on usein heijastuksenestopinnoitettu tai leikattu Brewsterin kulmaan tämän vaikutuksen minimoimiseksi. Litteitä peilejä käytetään usein myös pumppuontelon päissä häviöiden vähentämiseksi.
Tämän rakenteen muunnelmissa käytetään monimutkaisempia peilejä, jotka koostuvat päällekkäisistä elliptisistä muodoista, jotta useat salamalamput voivat pumpata yhtä sauvaa. Tämä mahdollistaa suuremman tehon, mutta ne eivät ole yhtä tehokkaita, koska kaikki valo ei heijastu oikein sauvaan, mikä johtaa suurempiin lämpöhäviöihin. Nämä häviöt voidaan minimoida käyttämällä tiiviisti kytkettyä onteloa. Tämä lähestymistapa voi kuitenkin mahdollistaa symmetrisemmän pumppauksen, mikä parantaa säteen laatua.
Toisessa kokoonpanossa käytetään sauvaa ja salamalamppua ontelossa, joka on tehty diffuusisti heijastavasta materiaalista, kuten spektralonista tai jauhetusta bariumsulfaatista. Nämä ontelot ovat usein pyöreitä tai pitkulaisia, koska valon keskittäminen ei ole ensisijainen tavoite. Tämä ei sido valoa yhtä hyvin laseroivaan väliaineeseen, koska valo tekee monia heijastuksia ennen kuin se saavuttaa sauvan, mutta vaatii usein vähemmän huoltoa kuin metalloidut heijastimet. Heijastusten lisääntynyt määrä kompensoidaan diffuusin väliaineen korkeammalla heijastuskyvyllä: 99 % verrattuna kultapeilin 97 %:iin. Tämä lähestymistapa sopii paremmin yhteen kiillottamattomien sauvojen tai useiden lamppujen kanssa.
Parasiittisia moodeja syntyy, kun heijastuksia syntyy muihin suuntiin kuin sauvan pituussuuntaan, mikä voi kuluttaa energiaa, joka muuten olisi säteen käytettävissä. Tämä voi olla erityinen ongelma, jos sauvan tynnyri on kiillotettu. Sylinterimäiset lasersauvat tukevat whispering gallery -moodeja, jotka johtuvat sauvan ja jäähdytysveden välisestä sisäisestä kokonaisheijastuksesta, joka heijastuu jatkuvasti sauvan kehän ympäri. Valoputkimoodit voivat heijastua sauvan pituutta pitkin siksak-polkuna. Jos sauvassa on heijastuksenestopinnoite tai se on upotettu nesteeseen, joka vastaa sen taitekerrointa, se voi vähentää näitä loisheijastuksia huomattavasti. Samoin jos sauvan tynnyri on karkeahiottu (himmeä) tai uritettu, sisäisiä heijastuksia voidaan hajottaa.
Pumppaus yhdellä lampulla pyrkii keskittämään suurimman osan energiasta yhdelle puolelle, mikä huonontaa säteen profiilia. On tavallista, että sauvoissa on himmeä tynnyri, joka hajottaa valoa, jolloin valo jakautuu tasaisemmin koko sauvaan. Tämä mahdollistaa suuremman energian absorption koko vahvistusmediassa, mikä parantaa poikittaismoodia. Huurteinen virtausputki tai diffuusi heijastin, vaikka se alentaa siirtotehokkuutta, auttaa lisäämään tätä vaikutusta ja parantaa vahvistusta.
Laserin isäntämateriaalit valitaan niin, että niiden absorptio on alhainen; vain dopantti absorboi. Siksi kaikki valo taajuuksilla, joita dopingaine ei absorboi, palaa takaisin lamppuun ja lämmittää plasmaa uudelleen, mikä lyhentää lampun käyttöikää.
Salamalamppujen pumppaus Muokkaa
Salamalamput olivat lasereiden varhaisin energianlähde. Niitä käytetään suuriin pulssitehoihin sekä kiinteän olomuodon että väriainelasereissa. Ne tuottavat valon laajaa spektriä, jolloin suurin osa energiasta hukataan lämpönä vahvistusmediassa. Salamalampuilla on myös yleensä lyhyt käyttöikä. Ensimmäinen laser koostui rubiinisauvaa ympäröivästä spiraalimaisesta salamalampusta.
Kvartsisalamalamput ovat yleisin lasereissa käytetty lampputyyppi, ja pienillä energioilla tai suurilla toistotaajuuksilla ne voivat toimia jopa 900 °C:n lämpötiloissa. Suuremmat keskimääräiset tehot tai toistotaajuudet edellyttävät vesijäähdytystä. Veden on yleensä huuhteltava lampun kaaren pituuden lisäksi myös lasin elektrodiosuus. Vesijäähdytteiset salamalamput valmistetaan yleensä niin, että lasi on kutistettu elektrodin ympärille, jotta volframia voidaan jäähdyttää suoraan. Jos elektrodin annetaan lämmetä paljon enemmän kuin lasin lämpölaajeneminen voi halkaista tiivisteen.
Lampun käyttöikä riippuu ensisijaisesti kyseisessä lampussa käytettävästä energiajärjestelmästä. Alhaisilla energioilla syntyy sputterointia, joka voi irrottaa materiaalia katodista ja lasittaa sen uudelleen lasille, jolloin syntyy tumma, peilimäinen ulkonäkö. Eliniänodote matalilla energioilla voi olla melko arvaamaton. Korkeat energiat aiheuttavat seinämäablaatiota, joka paitsi antaa lasille samean ulkonäön, myös heikentää sitä rakenteellisesti ja vapauttaa happea, mikä vaikuttaa paineeseen, mutta näillä energiatasoilla elinajanodote voidaan laskea melko tarkasti.
Pulssin kesto voi myös vaikuttaa elinikään. Hyvin pitkät pulssit voivat irrottaa suuria määriä materiaalia katodista, jolloin se kerrostuu seinämiin. Hyvin lyhyillä pulssin kestoilla on huolehdittava siitä, että valokaari on keskitetty lamppuun kaukana lasista, mikä estää vakavan seinämäablaation. Ulkoista laukaisua ei yleensä suositella lyhyille pulsseille. Simmer voltage triggering -tekniikkaa käytetään yleensä erittäin nopeissa purkauksissa, kuten väriainelasereissa, ja siihen yhdistetään usein ”pre-pulse-tekniikka”, jossa pieni välähdys käynnistetään vain millisekuntia ennen päävälähdystä kaasun esilämmittämiseksi nopeamman nousuajan aikaansaamiseksi.
Väriainelasereissa käytetään toisinaan ”aksiaalista pumppausta” (axial pumping), joka koostuu onttoa, rengasmaista välähdyslamppua, jonka ulompi puoli on peilattu niin, että sopiva valo heijastuu takaisin lamppujen keskustaan. Väriainekenno on sijoitettu keskelle, jolloin pumppausvalo jakautuu tasaisemmin ja energian siirto on tehokkaampaa. Ontto salamalamppu on myös pienempi induktanssi kuin tavallinen salamalamppu, mikä lyhentää salamapurkauksen kestoa. Harvoin väriainelasereissa käytetään ”koaksiaalista” rakennetta, joka koostuu normaalista salamalampusta, jota ympäröi rengasmainen väriainekenno. Tämä tarjoaa paremman siirtotehokkuuden, jolloin heijastinta ei tarvita, mutta diffraktiohäviöt aiheuttavat pienemmän vahvistuksen.
Salamalampun lähtöspektri on ensisijaisesti sen virrantiheyden tuote. Kun on määritetty ”räjähdysenergia” pulssin kestoa varten (energiamäärä, joka tuhoaa sen yhdestä kymmeneen välähdyksessä) ja valittu turvallinen energiataso toimintaa varten, jännitteen ja kapasitanssin tasapainoa voidaan säätää siten, että ulostulo keskitetään mihin tahansa lähi-infrapunasta kaukaiseen ultraviolettiin. Pienet virrantiheydet johtuvat erittäin korkean jännitteen ja pienen virran käytöstä. Tämä tuottaa levennettyjä spektriviivoja, joiden ulostulo on keskitetty lähi-IR-alueelle, ja se soveltuu parhaiten infrapunalasereiden, kuten Nd:YAG:n ja erbium:YAG:n, pumppaamiseen. Suuremmat virrantiheydet laajentavat spektriviivoja siinä määrin, että ne alkavat sekoittua keskenään, ja syntyy jatkumoemissiota. Pidemmät aallonpituudet saavuttavat kyllästystason pienemmillä virrantiheyksillä kuin lyhyemmät aallonpituudet, joten virran kasvaessa ulostulon keskipiste siirtyy kohti visuaalista spektriä, mikä on parempi näkyvän valon lasereiden, kuten rubiinin, pumppaamiseen. Tässä vaiheessa kaasusta tulee lähes ihanteellinen ”harmaakappalesäteilijä”. Vielä suuremmat virrantiheydet tuottavat mustan kappaleen säteilyä, jolloin ulostulo keskittyy ultraviolettiin.
Xenonia käytetään laajalti sen hyvän hyötysuhteen vuoksi, vaikka kryptonia käytetäänkin usein neodyymilla seostettujen lasersauvojen pumppaamiseen. Tämä johtuu siitä, että spektriviivat lähi-IR-alueella vastaavat paremmin neodyymin absorptioviivoja, jolloin kryptonilla on parempi siirtotehokkuus, vaikka sen kokonaisteho on pienempi. Tämä on erityisen tehokasta Nd:YAG:n kanssa, jonka absorptioprofiili on kapea. Kryptonilla pumpattuna näillä lasereilla voidaan saavuttaa jopa kaksinkertainen lähtöteho ksenoniin verrattuna. Nd:YAG:n pumppauksessa kryptonilla valitaan yleensä spektriviivapäästö, mutta koska kaikki ksenonin spektriviivat jäävät Nd:YAG:n absorptiokaistojen ulkopuolelle, ksenonilla pumpattaessa käytetään kontinuumiemissiota.
Valokaarilampun pumppausMuutos
Kaarilamppuja käytetään jatkuvaan toimintaan pystyviin pumppaussauvoihin, ja niitä voidaan valmistaa kaikenkokoisina ja -tehoisina. Tyypilliset kaarilamput toimivat riittävän suurella jännitteellä, jotta voidaan ylläpitää tiettyä virtatasoa, jolle lamppu on suunniteltu toimimaan. Tämä on usein välillä 10-50 ampeeria. Erittäin korkeiden paineidensa vuoksi kaarilamput vaativat erityisesti suunniteltuja virtapiirejä kaaren käynnistämistä eli ”sytyttämistä” varten. Lyöminen tapahtuu yleensä kolmessa vaiheessa. Laukaisuvaiheessa ”sarjalaukaisumuuntajan” erittäin korkea jännitepulssi synnyttää elektrodien välille kipinävirran, mutta impedanssi on liian korkea, jotta pääjännite voisi ottaa sen käyttöön. Tämän jälkeen käynnistyy ”tehostusjännite”-vaihe, jossa elektrodien välistä jännitehäviötä suurempi jännite johdetaan lampun läpi, kunnes kaasu kuumenee plasmatilaan. Kun impedanssi on riittävän alhainen, ”virranhallinta”-vaihe ottaa vallan, jolloin pääjännite alkaa ohjata virtaa vakaalle tasolle.
Kaarilampun pumppaus tapahtuu samankaltaisessa ontelossa kuin salamalampulla pumpattavassa laserissa, jossa on sauva ja yksi tai useampi lamppu heijastinontelossa. Ontelon tarkka muoto riippuu usein siitä, kuinka monta lamppua käytetään. Suurin ero on jäähdytyksessä. Kaarilamput on jäähdytettävä vedellä ja varmistettava, että vesi huuhtoutuu lasin ulkopuolelle ja myös elektrodiliittimien yli. Tämä edellyttää deionisoidun veden käyttöä, jonka ominaisvastus on vähintään 200 kilohmia, jotta virtapiiri ei menisi oikosulkuun ja elektrodit eivät syöpyisi elektrolyysin kautta. Vettä kanavoidaan yleensä virtausputken läpi 4-10 litraa minuutissa.
Kaarilamppuja on saatavana lähes kaikkia jalokaasutyyppejä, kuten ksenonia, kryptonia, argonia, neonia ja heliumia, jotka kaikki säteilevät spektriviivoja, jotka ovat hyvin kaasukohtaisia. Kaarilampun ulostulospektri riippuu enimmäkseen kaasutyypistä, ja se on kapeakaistaisia spektriviivoja, jotka ovat hyvin samanlaisia kuin pienillä virrantiheyksillä toimivan salamalampun spektri. Lähtö on suurimmillaan lähi-infrapunassa, ja niitä käytetään yleensä infrapunalasereiden, kuten Nd:YAG:n, pumppaamiseen.
Ulkoinen laserpumppausEdit
Sopivan tyyppistä laseria voidaan käyttää toisen laserin pumppaamiseen. Pumppulaserin kapea spektri mahdollistaa sen, että se voidaan sovittaa tiiviisti laseroivan väliaineen absorptiolinjoihin, jolloin energiansiirto on paljon tehokkaampaa kuin salamalamppujen laajakaistaisessa emissiossa. Diodilaserit pumppaavat kiinteän tilan lasereita ja nestemäisiä väriainelasereita. Erityisesti väriainelasereissa käytetään usein rengaslaser-mallia. Rengaslaserissa käytetään kolmea tai useampaa peiliä heijastamaan valoa ympyräradalla. Tämä auttaa poistamaan useimpien Fabry-Pérot’n resonaattoreiden synnyttämän seisovan aallon, mikä johtaa vahvistavan väliaineen energian parempaan käyttöön.
Muut optiset pumppausmenetelmätEdit
Mikroaaltoja tai radiotaajuista EM-säteilyä voidaan käyttää kaasulasereiden herättämiseen.