Pumpáló üregekSzerkesztés
Az ívlámpával vagy villanólámpával pumpált lézert általában a lézermédium oldalfalán keresztül pumpálják, amely gyakran egy fémes szennyeződést tartalmazó kristályrúd vagy egy folyékony festéket tartalmazó üvegcső formájában van, az úgynevezett “oldalpumpálás” során. A lámpa energiájának leghatékonyabb felhasználása érdekében a lámpákat és a lézermédiumot egy fényvisszaverő üregbe helyezik, amely a lámpa energiájának nagy részét a rúdba vagy a festékcellába irányítja át.
A leggyakoribb konfigurációban az erősítő közeg egy tükrös üreg egyik fókuszában elhelyezkedő rúd formájában van, amely a rúd tengelyére merőleges elliptikus keresztmetszetből áll. A villanólámpa egy cső, amely az ellipszis másik fókuszában helyezkedik el. Gyakran a tükör bevonatát úgy választják meg, hogy a lézerkibocsátásnál rövidebb hullámhosszakat visszaverje, míg az azonos vagy hosszabb hullámhosszakat elnyelje vagy áteressze, a termikus lencsézés minimalizálása érdekében. Más esetekben a hosszabb hullámhosszak elnyelőjét használják. Gyakran előfordul, hogy a lámpát egy áramlási csőnek nevezett hengeres köpeny veszi körül. Ez az áramlási cső általában olyan üvegből készül, amely elnyeli a nem megfelelő hullámhosszakat, például az ultraibolyát, vagy utat biztosít a hűtővíz számára, amely elnyeli az infravörös tartományt. A köpenyt gyakran dielektromos bevonattal látják el, amely a nem megfelelő hullámhosszúságú fényt visszaveri a lámpába. Ez a fény elnyelődik, és egy része megfelelő hullámhosszon újra kisugárzik. Az áramlási cső arra is szolgál, hogy megvédje a rudat a lámpa heves meghibásodása esetén.
A kisebb ellipszisek kevesebb visszaverődést hoznak létre (ezt az állapotot “szoros csatolásnak” nevezik), ami nagyobb intenzitást eredményez a rúd közepén. Egyetlen villanólámpa esetén, ha a lámpa és a rúd átmérője azonos, általában egy olyan ellipszis, amely kétszer olyan széles, mint amilyen magas, a leghatékonyabb a fénynek a rúdba való leképezésében. A rúd és a lámpa viszonylag hosszú, hogy minimalizálja a végfelületeken fellépő veszteségek hatását, és elegendő hosszúságú erősítő közeget biztosítson. A hosszabb villanólámpák a nagyobb impedancia miatt az elektromos energia fénybe való átvitelében is hatékonyabbak. Ha azonban a rúd túl hosszú az átmérőjéhez képest, előfordulhat az úgynevezett “prelasing” állapot, amely kimeríti a rúd energiáját, mielőtt az megfelelően fel tudna épülni. A rúdvégeket gyakran antireflexiós bevonattal látják el, vagy Brewster-szögben vágják le, hogy minimalizálják ezt a hatást. A veszteségek csökkentése érdekében gyakran használnak lapos tükröket a szivattyú üregének végén is.
Ezeknek a konstrukcióknak a változatai bonyolultabb, egymást átfedő ellipszis alakú tükröket használnak, hogy több villanólámpát tudjanak egyetlen rúddal pumpálni. Ez nagyobb teljesítményt tesz lehetővé, de kevésbé hatékonyak, mert nem minden fény képződik megfelelően a rúdba, ami megnövekedett hőveszteségekhez vezet. Ezek a veszteségek minimalizálhatók egy szorosan összekapcsolt üreg használatával. Ez a megközelítés azonban szimmetrikusabb pumpálást tesz lehetővé, ami növeli a sugár minőségét.
Egy másik konfiguráció egy rudat és egy villanólámpát használ egy diffúz fényvisszaverő anyagból, például spektrálonból vagy porított bárium-szulfátból készült üregben. Ezek az üregek gyakran kör vagy hosszúkásak, mivel a fény fókuszálása nem elsődleges cél. Ez nem párosítja olyan jól a fényt a lézermédiumba, mivel a fény sok visszaverődést végez, mielőtt eléri a rudat, de gyakran kevesebb karbantartást igényel, mint a fémezett reflektorok. A visszaverődések megnövekedett számát ellensúlyozza a diffúz közeg nagyobb visszaverő képessége: 99%, szemben az aranytükör 97%-ával. Ez a megközelítés jobban összeegyeztethető csiszolatlan rudakkal vagy több lámpával.
Parazita módusok akkor keletkeznek, amikor a rúd hosszától eltérő irányú reflexiók keletkeznek, ami olyan energiát használhat fel, amely egyébként a sugár számára rendelkezésre állna. Ez különösen akkor jelenthet problémát, ha a rúd csöve polírozott. A hengeres lézerrudak a rúd és a hűtővíz közötti teljes belső visszaverődés miatt suttogó galéria üzemmódokat támogatnak, amelyek folyamatosan visszaverődnek a rúd kerülete körül. A fénycső üzemmódok a rúd hosszában cikcakkos úton verődhetnek vissza. Ha a rúd antireflexiós bevonattal van ellátva, vagy olyan folyadékba van merítve, amely megfelel a törésmutatójának, akkor drámaian csökkentheti ezeket a parazita visszaverődéseket. Hasonlóképpen, ha a rúd csöve durván csiszolt (mattított) vagy barázdált, a belső visszaverődések eloszlathatók.
Az egyetlen lámpával történő szivattyúzás hajlamos az energia nagy részét az egyik oldalra fókuszálni, ami rontja a sugár profilját. Gyakori, hogy a rudaknak mattított hordójuk van, hogy a fényt szétszórják, így egyenletesebb fényeloszlást biztosítva a rúdban. Ez nagyobb energiaelnyelést tesz lehetővé az erősítő közegben, ami jobb transzverzális üzemmódot eredményez. A mattított áramlási cső vagy diffúz reflektor, bár alacsonyabb átviteli hatásfokot eredményez, segít növelni ezt a hatást, javítva az erősítést.
A lézer gazdaanyagát úgy választják ki, hogy alacsony legyen az abszorpciója; csak az adalékanyag abszorbeál. Ezért az adalékanyag által el nem nyelt frekvenciájú fény visszakerül a lámpába, és újra felmelegíti a plazmát, ami lerövidíti a lámpa élettartamát.
Villanólámpa pumpálásSzerkesztés
A villanólámpák voltak a lézerek legkorábbi energiaforrásai. Mind a szilárdtest-, mind a festéklézerekben nagy impulzusos energiákhoz használták őket. Széles spektrumú fényt termelnek, aminek következtében az energia nagy része hő formájában vész el az erősítő közegben. A villanólámpák élettartama is általában rövid. Az első lézer egy rubinrudat körülvevő spirális villanólámpából állt.
A lézerekben leggyakrabban használt típus a kvarc villanólámpa, amely alacsony energiák vagy nagy ismétlési frekvenciák esetén akár 900 °C-os hőmérsékleten is működhet. A nagyobb átlagteljesítmények vagy ismétlési ráták vízhűtést igényelnek. A víznek általában nem csak a lámpa ívhosszán, hanem az üveg elektróda részén is át kell mosódnia. A vízhűtéses villanólámpákat általában úgy gyártják, hogy az üveg az elektróda körül összezsugorodik, hogy lehetővé tegye a volfrám közvetlen hűtését. Ha az elektróda sokkal jobban felmelegszik, mint az üveg, a hőtágulás megrepesztheti a tömítést.
A lámpa élettartama elsősorban az adott lámpához használt energiarendszertől függ. Az alacsony energiák porlasztást eredményeznek, ami anyagot távolíthat el a katódról, és visszahelyezheti azt az üvegre, ami sötét, tükrös megjelenést eredményez. A várható élettartam alacsony energiák mellett meglehetősen kiszámíthatatlan lehet. A magas energiák fali ablációt okoznak, ami nemcsak zavaros megjelenést kölcsönöz az üvegnek, hanem szerkezetileg gyengíti is azt, és oxigént szabadít fel, ami befolyásolja a nyomást, de ezeken az energiaszinteken a várható élettartam meglehetősen nagy pontossággal kiszámítható.
Az impulzus időtartama szintén befolyásolhatja az élettartamot. A nagyon hosszú impulzusok nagy mennyiségű anyagot távolíthatnak el a katódról, lerakódva azt a falakon. Nagyon rövid impulzusidő esetén ügyelni kell arra, hogy az ív a lámpa középpontjában legyen, távol az üvegtől, megelőzve ezzel a komolyabb fali ablációt. A külső kiváltás általában nem ajánlott rövid impulzusok esetén. Simmer feszültségű triggerelést általában a rendkívül gyors kisülésekhez használnak, mint amilyeneket a festéklézereknél használnak, és gyakran kombinálják ezt egy “pre-pulse technikával”, amikor is egy kis villanást indítanak el csak milliszekundumokkal a fő villanás előtt, hogy előmelegítsék a gázt a gyorsabb emelkedési idő érdekében.
A festéklézerek néha “axiális pumpálást” használnak, ami egy üreges, gyűrű alakú villanólámpából áll, amelynek külső burkolata tükrözött, hogy a megfelelő fényt visszaverje a központba. A festékcellát középen helyezik el, ami a pumpáló fény egyenletesebb eloszlását és hatékonyabb energiaátvitelt biztosít. Az üreges villanólámpa induktivitása is kisebb, mint a normál villanólámpáé, ami rövidebb villanáskisülést biztosít. Ritkán “koaxiális” kialakítást használnak a festéklézereknél, amely egy normál villanólámpából áll, amelyet egy gyűrű alakú festékcella vesz körül. Ez jobb átviteli hatásfokot biztosít, mivel nincs szükség reflektorra, de a diffrakciós veszteségek alacsonyabb erősítést okoznak.
A villanólámpa kimeneti spektruma elsősorban az áramsűrűségének a terméke. Az impulzus időtartamára vonatkozó “robbanási energia” meghatározása (az az energiamennyiség, amely egy-tíz villanás alatt megsemmisíti) és a biztonságos működési energiaszint kiválasztása után a feszültség és a kapacitás egyensúlyát úgy lehet beállítani, hogy a kimenetet a közeli infravöröstől a távoli ultraibolyáig bárhová központosítani lehessen. Az alacsony áramsűrűség a nagyon magas feszültség és az alacsony áram használatából adódik. Ez kiszélesített spektrális vonalakat eredményez, a kimenet a közeli infravörös tartományban van központosítva, és ez a legjobb az infravörös lézerek, például az Nd:YAG és az erbium:YAG pumpálásához. A nagyobb áramsűrűség kiszélesíti a spektrális vonalakat olyan mértékben, hogy azok elkezdenek összemosódni, és kontinuum emisszió keletkezik. A hosszabb hullámhosszúak alacsonyabb áramsűrűségnél érik el a telítési szintet, mint a rövidebb hullámhosszúak, így az áram növelésével a kimeneti középpont a látható spektrum felé tolódik el, ami jobb a látható fényű lézerek, például a rubin pumpálásához. Ezen a ponton a gáz szinte ideális “szürke test sugárzóvá” válik. Még nagyobb áramsűrűség esetén feketetest-sugárzás jön létre, ami a kimenetet az ultraibolya tartományba központosítja.
A xenont jó hatásfoka miatt széles körben használják, bár a kripton gyakran használatos neodímiummal adalékolt lézerrudak pumpálására. Ennek oka, hogy a közeli infravörös tartományban a spektrális vonalak jobban illeszkednek a neodímium abszorpciós vonalaihoz, így a kripton jobb átviteli hatékonyságot biztosít, még ha a teljes kimenő teljesítménye alacsonyabb is. Ez különösen hatékony az Nd:YAG esetében, amelynek keskeny abszorpciós profilja van. Kriptonnal pumpálva ezek a lézerek a xenonból elérhető kimenő teljesítmény akár kétszeresét is elérhetik. Az Nd:YAG kriptonnal történő pumpálásakor általában a spektrális vonalemissziót választják, de mivel a xenon összes spektrális vonala kimarad az Nd:YAG abszorpciós sávjaiból, xenonnal történő pumpáláskor a kontinuumemissziót használják.
Ívlámpás pumpálásSzerkesztés
Az ívlámpákat olyan szivattyúrudakhoz használják, amelyek folyamatos működést bírnak, és bármilyen méretűek és teljesítményűek lehetnek. A tipikus ívlámpák elég magas feszültségen működnek ahhoz, hogy fenntartsák azt a bizonyos áramszintet, amelyre a lámpát tervezték. Ez gyakran 10 és 50 amper közötti tartományban van. A nagyon magas nyomás miatt az ívlámpák speciálisan tervezett áramköröket igényelnek az ív beindításához, vagy az ív “lecsapásához”. A lecsapás általában három fázisban történik. A kioldási fázisban a “soros kioldó” transzformátorból származó rendkívül magas feszültségű impulzus szikracsíkot hoz létre az elektródák között, de az impedancia túl magas ahhoz, hogy a főfeszültség átvegye a hatalmat. Ezután elindul egy “erősítő feszültség” fázis, ahol az elektródák közötti feszültségesésnél nagyobb feszültséget vezetnek át a lámpán, amíg a gáz plazmaállapotba nem melegszik. Amikor az impedancia elég alacsony lesz, az “áramszabályozási” fázis veszi át az irányítást, amikor a főfeszültség elkezdi az áramot stabil szintre vezetni.
Az ívlámpás pumpálás a villanólámpával pumpált lézerekhez hasonló üregben történik, egy rúddal és egy vagy több lámpával egy reflektoros üregben. Az üreg pontos alakja gyakran attól függ, hogy hány lámpát használnak. A fő különbség a hűtésben van. Az ívlámpákat vízzel kell hűteni, biztosítva, hogy a víz átmossa az üveget és az elektródacsatlakozókat is. Ehhez legalább 200 kilohm ellenállású deionizált vizet kell használni, nehogy rövidre zárja az áramkört és elektrolízis révén korrodálja az elektródákat. A vizet általában egy áramlási csövön keresztül vezetik át percenként 4-10 liter sebességgel.
Az ívlámpák szinte az összes nemesgáztípussal kaphatók, beleértve a xenont, kripton, argont, neont és héliumot, amelyek mindegyike a gázra nagyon jellemző spektrális vonalakat bocsát ki. Az ívlámpa kimeneti spektruma leginkább a gáztípustól függ, keskeny sávú spektrális vonalak, amelyek nagyon hasonlítanak az alacsony áramsűrűséggel működő villanólámpákhoz. A kimenet a közeli infravörösben a legmagasabb, és általában infravörös lézerek, például Nd:YAG pumpálására használják.
Külső lézerpumpálásSzerkesztés
Egy megfelelő típusú lézer használható egy másik lézer pumpálására. A pumpáló lézer keskeny spektruma lehetővé teszi, hogy szorosan illeszkedjen a lézermédium abszorpciós vonalaihoz, így sokkal hatékonyabb energiaátvitelt biztosít, mint a villanólámpák széles sávú emissziója. A diódalézerek szilárdtestlézereket és folyékony festéklézereket pumpálnak. Gyűrűs lézerkialakítást gyakran alkalmaznak, különösen a festéklézereknél. A gyűrűs lézer három vagy több tükröt használ a fény körkörös úton történő visszaveréséhez. Ez segít kiküszöbölni a legtöbb Fabry-Pérot-rezonátor által keltett állóhullámot, ami az erősítő közeg energiájának jobb kihasználását eredményezi.
Egyéb optikai pumpálási módszerekSzerkesztés
Gázlézerek gerjesztésére mikrohullámok vagy rádiófrekvenciás EM-sugárzás is használható.