Cavità di pompaggioModifica
Un laser pompato con una lampada ad arco o un flashlamp è di solito pompato attraverso la parete laterale del mezzo laser, che è spesso in forma di una barra di cristallo contenente un’impurità metallica o un tubo di vetro contenente un colorante liquido, in una condizione nota come “side-pumping”. Per utilizzare l’energia della lampada nel modo più efficiente, le lampade e il mezzo laser sono contenuti in una cavità riflettente che reindirizzerà la maggior parte dell’energia della lampada nell’asta o nella cella del colorante.
Nella configurazione più comune, il mezzo di guadagno è sotto forma di un’asta situata ad un fuoco di una cavità a specchio, costituita da una sezione trasversale ellittica perpendicolare all’asse dell’asta. Il flashlamp è un tubo situato all’altro fuoco dell’ellisse. Spesso il rivestimento dello specchio è scelto per riflettere le lunghezze d’onda che sono più corte dell’uscita laser mentre assorbe o trasmette le lunghezze d’onda che sono le stesse o più lunghe, per minimizzare la lente termica. In altri casi viene usato un assorbitore per le lunghezze d’onda più lunghe. Spesso, la lampada è circondata da una camicia cilindrica chiamata tubo di flusso. Questo tubo di flusso è di solito fatto di un vetro che assorbirà lunghezze d’onda inadatte, come l’ultravioletto, o fornirà un percorso per l’acqua di raffreddamento che assorbe l’infrarosso. Spesso, la camicia è dotata di un rivestimento dielettrico che riflette le lunghezze d’onda non adatte della luce nella lampada. Questa luce viene assorbita e parte di essa viene riemessa a lunghezze d’onda adatte. Il tubo di flusso serve anche a proteggere l’asta in caso di guasto violento della lampada.
Ulissi più piccole creano meno riflessioni, (una condizione chiamata “close-coupling”), dando una maggiore intensità al centro dell’asta. Per una singola torcia, se la lampada e l’asta hanno lo stesso diametro, un’ellisse che è due volte più larga che alta è di solito la più efficiente nell’immagazzinare la luce nell’asta. L’asta e la lampada sono relativamente lunghe per minimizzare l’effetto delle perdite sulle facce finali e per fornire una lunghezza sufficiente di mezzo di guadagno. Le lampade più lunghe sono anche più efficienti nel trasferire l’energia elettrica in luce, a causa della maggiore impedenza. Tuttavia, se l’asta è troppo lunga rispetto al suo diametro, può verificarsi una condizione chiamata “prelasing”, esaurendo l’energia dell’asta prima che possa accumularsi correttamente. Le estremità dell’asta sono spesso rivestite antiriflesso o tagliate ad angolo di Brewster per minimizzare questo effetto. Specchi piatti sono anche spesso utilizzati alle estremità della cavità della pompa per ridurre la perdita.
Variazioni su questo disegno utilizzare specchi più complessi composti da forme ellittiche sovrapposte, per consentire più torce per pompare una singola asta. Questo permette una maggiore potenza, ma sono meno efficienti, perché non tutta la luce viene correttamente immagazzinata nell’asta, portando ad un aumento delle perdite termiche. Queste perdite possono essere minimizzate utilizzando una cavità ad accoppiamento stretto. Questo approccio può consentire un pompaggio più simmetrico, aumentando la qualità del fascio, tuttavia.
Un’altra configurazione utilizza un’asta e una torcia in una cavità fatta di un materiale riflettente diffuso, come spectralon o solfato di bario in polvere. Queste cavità sono spesso circolari o oblunghe, poiché la focalizzazione della luce non è un obiettivo primario. Questo non accoppia la luce così bene nel mezzo laser, poiché la luce fa molte riflessioni prima di raggiungere l’asta, ma spesso richiede meno manutenzione dei riflettori metallizzati. Il maggior numero di riflessioni è compensato dalla maggiore riflettività del mezzo diffuso: 99% rispetto al 97% per uno specchio d’oro. Questo approccio è più compatibile con aste non lucidate o lampade multiple.
I modi parassiti si verificano quando le riflessioni sono generate in direzioni diverse dalla lunghezza dell’asta, che possono utilizzare l’energia che altrimenti sarebbe disponibile per il fascio. Questo può essere un problema particolare se la canna dell’asta è lucida. Le aste laser cilindriche supportano modalità a galleria sussurrante dovute alla riflessione interna totale tra l’asta e l’acqua di raffreddamento, che riflettono continuamente intorno alla circonferenza dell’asta. Le modalità light pipe possono riflettere lungo la lunghezza dell’asta in un percorso a zig-zag. Se l’asta ha un rivestimento antiriflesso, o è immersa in un fluido che corrisponde al suo indice di rifrazione, può ridurre drasticamente queste riflessioni parassite. Allo stesso modo, se la canna dell’asta è smerigliata, o scanalata, le riflessioni interne possono essere disperse.
Il pompaggio con una sola lampada tende a concentrare la maggior parte dell’energia su un lato, peggiorando il profilo del fascio. È comune per le aste avere un barilotto smerigliato, per diffondere la luce, fornendo una distribuzione più uniforme della luce in tutta l’asta. Questo permette un maggiore assorbimento di energia in tutto il mezzo di guadagno per una migliore modalità trasversale. Un tubo di flusso smerigliato o un riflettore diffuso, mentre porta ad una minore efficienza di trasferimento, aiuta ad aumentare questo effetto, migliorando il guadagno.
I materiali host del laser sono scelti per avere un basso assorbimento; solo il drogante assorbe. Pertanto, qualsiasi luce a frequenze non assorbite dal drogante tornerà indietro nella lampada e riscaldare il plasma, accorciando la vita della lampada.
Pompaggio flashlamp
Le lampade flash sono state la prima fonte di energia per i laser. Sono usate per alte energie pulsate sia nei laser a stato solido che in quelli a coloranti. Producono un ampio spettro di luce, causando la maggior parte dell’energia da sprecare come calore nel mezzo di guadagno. I flashlamps tendono anche ad avere una breve durata di vita. Il primo laser consisteva in una torcia elicoidale che circondava un’asta di rubino.
Le torce al quarzo sono il tipo più comune usato nei laser, e, a basse energie o alti tassi di ripetizione, possono funzionare a temperature fino a 900 °C. Potenze medie più elevate o tassi di ripetizione richiedono un raffreddamento ad acqua. L’acqua di solito deve lavare non solo la lunghezza dell’arco della lampada, ma anche la porzione di vetro dell’elettrodo. Le torce raffreddate ad acqua sono di solito prodotte con il vetro rattrappito intorno all’elettrodo per consentire il raffreddamento diretto del tungsteno. Se si permette all’elettrodo di riscaldarsi molto più del vetro, la dilatazione termica può rompere il sigillo.
La durata della lampada dipende principalmente dal regime energetico utilizzato per la lampada particolare. Le basse energie danno luogo allo sputter, che può rimuovere il materiale dal catodo e ridepositarlo sul vetro, creando un aspetto scurito e specchiato. L’aspettativa di vita a basse energie può essere abbastanza imprevedibile. Le alte energie causano l’ablazione delle pareti, che non solo dà al vetro un aspetto torbido, ma lo indebolisce anche strutturalmente e rilascia ossigeno, influenzando la pressione, ma a questi livelli di energia l’aspettativa di vita può essere calcolata con una discreta precisione.
Anche la durata degli impulsi può influenzare la durata. Impulsi molto lunghi possono togliere grandi quantità di materiale dal catodo, depositandolo sulle pareti. Con durate d’impulso molto brevi, bisogna fare attenzione che l’arco sia centrato nella lampada, lontano dal vetro, prevenendo una grave ablazione delle pareti. L’innesco esterno non è solitamente raccomandato per gli impulsi brevi. L’innesco a tensione simulata è di solito usato per scariche estremamente veloci, come quelle usate nei laser a coloranti, e spesso si combinano con una “tecnica di preimpulso”, dove un piccolo flash è iniziato pochi millisecondi prima del flash principale, per preriscaldare il gas per un tempo di salita più veloce.
I laser a coloranti a volte usano il “pompaggio assiale”, che consiste in una lampada flash cava, di forma anulare, con l’involucro esterno a specchio per riflettere la luce adatta al centro. La cella del colorante è posta al centro, fornendo una distribuzione più uniforme della luce di pompaggio e un trasferimento più efficiente dell’energia. La lampadina cava ha anche un’induttanza più bassa di una lampadina normale, che fornisce una scarica flash più breve. Raramente, un design “coassiale” è usato per i laser a colorante, che consiste in una normale torcia circondata da una cella di colorante di forma anulare. Questo fornisce una migliore efficienza di trasferimento, eliminando la necessità di un riflettore, ma le perdite di diffrazione causano un guadagno inferiore.
Lo spettro di uscita di una torcia è principalmente un prodotto della sua densità di corrente. Dopo aver determinato l'”energia di esplosione” per la durata dell’impulso, (la quantità di energia che lo distruggerà in uno o dieci flash), e aver scelto un livello di energia sicuro per il funzionamento, l’equilibrio di tensione e capacità può essere regolato per centrare l’uscita ovunque dal vicino infrarosso al lontano ultravioletto. Le basse densità di corrente risultano dall’uso di una tensione molto alta e di una bassa corrente. Questo produce linee spettrali allargate con l’uscita centrata nel vicino IR, ed è meglio per il pompaggio di laser infrarossi come Nd:YAG ed erbio:YAG. Densità di corrente più elevate allargano le linee spettrali fino al punto in cui cominciano a fondersi insieme, e viene prodotta l’emissione del continuum. Le lunghezze d’onda più lunghe raggiungono livelli di saturazione a densità di corrente più basse rispetto alle lunghezze d’onda più corte, quindi con l’aumento della corrente il centro di uscita si sposta verso lo spettro visivo, che è migliore per il pompaggio dei laser a luce visibile, come il rubino. A questo punto, il gas diventa quasi un “radiatore a corpo grigio” ideale. Densità di corrente ancora più alte produrranno radiazioni di corpo nero, centrando l’uscita nell’ultravioletto.
Il xeno è usato ampiamente per la sua buona efficienza, anche se il krypton è spesso usato per pompare aste laser drogate con neodimio. Questo perché le linee spettrali nella gamma quasi-IR corrispondono meglio alle linee di assorbimento del neodimio, dando al krypton una migliore efficienza di trasferimento anche se la sua potenza di uscita complessiva è inferiore. Questo è particolarmente efficace con Nd:YAG, che ha un profilo di assorbimento stretto. Pompati con il krypton, questi laser possono raggiungere fino al doppio della potenza di uscita ottenibile dallo xeno. L’emissione di linee spettrali è di solito scelta quando si pompa Nd:YAG con il krypton, ma poiché tutte le linee spettrali dello xeno mancano le bande di assorbimento di Nd:YAG, quando si pompa con lo xeno si usa l’emissione del continuo.
Pompaggio con lampada ad arcoModifica
Le lampade ad arco sono usate per aste di pompaggio che possono sostenere un funzionamento continuo, e possono essere fatte di qualsiasi dimensione e potenza. Le tipiche lampade ad arco funzionano ad una tensione abbastanza alta da mantenere il certo livello di corrente per il quale la lampada è stata progettata per funzionare. Questo è spesso nell’intervallo da 10 a 50 ampere. A causa delle loro pressioni molto elevate, le lampade ad arco richiedono circuiti appositamente progettati per l’avvio, o “colpire” l’arco. L’innesco avviene di solito in tre fasi. Nella fase di innesco, un impulso di tensione estremamente alta dal trasformatore “innesco serie” crea una scintilla tra gli elettrodi, ma l’impedenza è troppo alta per la tensione principale a prendere il sopravvento. Viene quindi avviata una fase di “tensione di spinta”, in cui una tensione superiore alla caduta di tensione tra gli elettrodi viene guidata attraverso la lampada, fino a quando il gas viene riscaldato allo stato di plasma. Quando l’impedenza diventa abbastanza bassa, subentra la fase di “controllo della corrente”, dove la tensione principale comincia a guidare la corrente a un livello stabile.
Il pompaggio con lampada ad arco avviene in una cavità simile a quella di un laser pompato con lampada flash, con una barra e una o più lampade in una cavità riflettente. La forma esatta della cavità dipende spesso dal numero di lampade utilizzate. La differenza principale è nel raffreddamento. Le lampade ad arco devono essere raffreddate con acqua, assicurandosi che l’acqua lavi oltre il vetro e anche attraverso i connettori degli elettrodi. Questo richiede l’uso di acqua deionizzata con una resistività di almeno 200 kilohms, per evitare di mandare in corto il circuito e corrodere gli elettrodi per elettrolisi. L’acqua è tipicamente incanalata attraverso un tubo di flusso ad una velocità da 4 a 10 litri al minuto.
Le lampade ad arco sono disponibili in quasi tutti i tipi di gas nobili, tra cui xenon, krypton, argon, neon ed elio, che emettono tutte linee spettrali che sono molto specifiche per il gas. Lo spettro di uscita di una lampada ad arco è in gran parte dipendente dal tipo di gas, essendo linee spettrali a banda stretta molto simili a quelle di una torcia elettrica azionata a basse densità di corrente. L’uscita è più alta nel vicino infrarosso, e sono solitamente usati per pompare laser infrarossi come Nd:YAG.
Pompaggio laser esternoModifica
Un laser di un tipo adatto può essere usato per pompare un altro laser. Lo spettro stretto del laser di pompa permette di essere strettamente abbinato alle linee di assorbimento dei mezzi di laser, dando un trasferimento di energia molto più efficiente rispetto all’emissione a banda larga delle lampade flash. I laser a diodi pompano i laser a stato solido e i laser a coloranti liquidi. Un laser ad anello è spesso usato, specialmente nei laser a coloranti. Il laser ad anello usa tre o più specchi per riflettere la luce in un percorso circolare. Questo aiuta ad eliminare l’onda stazionaria generata dalla maggior parte dei risonatori Fabry-Pérot, portando ad un migliore utilizzo dell’energia del mezzo di guadagno.
Altri metodi di pompaggio otticoModifica
Le microonde o le radiazioni EM a radiofrequenza possono essere utilizzate per eccitare i laser a gas.