Pumping cavitiesEdit
アークランプやフラッシュランプで励起されたレーザーは、通常、金属不純物を含む結晶ロッドや液体色素を含むガラス管の形であることが多いレーザー媒体の側壁を通して励起され、 “side-pumping” として知られる状態にある。 ランプのエネルギーを最も効率的に使用するために、ランプとレーザー媒体は、ランプのエネルギーのほとんどをロッドまたは色素セルに向ける反射共振器に含まれます。
最も一般的な構成では、利得媒体は、ロッドの軸に垂直な楕円形の断面からなる鏡面キャビティの一方の焦点に位置するロッドの形態である。 フラッシュランプは、楕円のもう一方の焦点に位置するチューブである。 ミラーのコーティングは、熱レンズ効果を抑えるために、発光出力より短い波長を反射し、同じか長い波長を吸収または透過するように選択されることが多い。 また、長波長側には吸収体を使用する場合もある。 ランプの周囲には、フローチューブと呼ばれる円筒形のジャケットが装着されていることが多い。 このフローチューブは通常、紫外線など不適当な波長を吸収するガラスで作られているか、赤外線を吸収する冷却水の通り道になっている。 多くの場合、ジャケットには誘電体コーティングが施され、不適当な波長の光を反射してランプに戻す。 この光は吸収され、一部は適切な波長で再放出される。
楕円が小さいと反射が少なくなり（クローズ・カップリング）、ロッドの中心でより高い強度が得られます。 フラッシュランプ1本の場合、ランプとロッドの直径が同じなら、幅が高さの2倍の楕円が最も効率よく光をロッドに結像させることができます。 ロッドとランプは、端面における損失の影響を最小にし、利得媒体の長さを十分に確保するため、比較的長くしています。 また、長いフラッシュランプはインピーダンスが高いため、電気エネルギーを光に変換する効率も高くなります。 しかし、ロッドが直径に対して長すぎる場合、「プリレーシング」と呼ばれる状態が発生し、ロッドのエネルギーが適切に蓄積される前に枯渇してしまうことがあります。 このため、ロッドエンドに反射防止コーティングを施したり、ブリュースター角で切断したりして、この影響を最小限に抑えている。 3535>
この設計のバリエーションは、楕円形の重なりからなるより複雑なミラーを使用し、複数のフラッシュランプが1本のロッドを励起できるようにする。 この場合、出力は大きくなるが、すべての光が正しくロッドに入射されないため効率が悪く、熱損失が大きくなる。 この損失は、近接結合型空洞を使用することで最小化することができます。 3535>
別の構成では、スペクトラロンや粉末硫酸バリウムなどの拡散反射材料でできた空洞に、ロッドとフラッシュランプを使用します。 この空洞は、光の焦点を合わせることが第一の目的ではないので、円形や長方形であることが多いようです。 光はロッドに到達するまでに何度も反射するため、光源との結合はあまりうまくいきませんが、金属化反射板に比べてメンテナンスが少なくて済む場合が多いようです。 反射の回数は増えるが、拡散媒体の反射率は99％と、ゴールドミラーの97％より高く、これを補うことができる。 3535>
寄生モードは、ロッドの長さ以外の方向で反射が起こると発生し、本来ビームに利用できるはずのエネルギーを消費してしまうことがあります。 特に、鏡筒を研磨した場合に問題となることがあります。 円筒形のレーザーロッドは、ロッドと冷却水との間の内部全反射により、ロッドの円周上で連続的に反射するウィスパリング・ギャラリーモードに対応しています。 ライトパイプモードは、ロッドの長さ方向にジグザグの経路で反射することができます。 ロッドに反射防止コーティングを施したり、屈折率の合う液体に浸したりすれば、これらの寄生反射を劇的に減らすことができる。 3535>
1本のランプで励起すると、エネルギーのほとんどが片側に集中し、ビーム・プロファイルが悪化する傾向があります。 このため、ロッドにフロスト加工を施し、光を拡散させ、ロッド全体に均一な配光を実現するのが一般的です。 これにより、利得媒体全体でより多くのエネルギーが吸収され、横モードが改善されます。 3535>
レーザーホスト材料は、吸収率が低く、ドーパントのみが吸収するように選択されます。 そのため、ドーピングによって吸収されない周波数の光は、ランプに戻り、プラズマを再加熱し、ランプの寿命を縮める。
フラッシュランプ励起編集
石英フラッシュランプは、レーザーで最もよく使われるタイプで、低エネルギーまたは高い繰り返し率で、900℃の温度で動作させることができます。 平均出力や繰り返し率が高くなると水冷が必要になります。 通常、水はランプのアーク長だけでなく、ガラスの電極部分にも行き渡るように洗う必要があります。 水冷式フラッシュランプは、通常、タングステンを直接冷却できるように、電極の周りのガラスを縮めて製造されます。 電極がガラスよりもはるかに多く加熱することが許可されている場合、熱膨張はシールをクラックすることができます
Lamp lifetime depends primarily on the energy regime used for the particular lamp. 低エネルギーではスパッタが発生し、カソードから材料が取り除かれてガラスに再付着し、黒ずんだ鏡のような外観になることがある。 低エネルギーでの寿命は、かなり予測できないことがあります。 高エネルギーでは壁面のアブレーションが起こり、ガラスに曇りを与えるだけでなく、構造的に弱くなり、酸素を放出して圧力に影響しますが、これらのエネルギーレベルでは、寿命はかなりの精度で計算できます
パルス持続時間も寿命に影響します。 非常に長いパルスは陰極から大量の物質を剥ぎ取り、それを壁に付着させることができる。 パルス幅が非常に短い場合、アークがランプの中心に位置し、ガラスから遠く離れているように注意する必要があり、深刻な壁の剥離を防止することができます。 外部トリガーは通常、短パルスには推奨されない。 3535>
染料レーザでは、中空で環状のフラッシュランプからなる「アキシャル・ポンピング」を使用することがあり、外周が鏡面になっており、適切な光を中心に反射させるようになっています。 色素セルを中央に配置することで、励起光の分布を均一にし、エネルギーの伝達を効率よく行うことができます。 また、通常のフラッシュランプよりもインダクタンスが低いため、より短い時間で放電させることができる。 まれに、通常のフラッシュランプの周囲に環状の色素セルを配置した「同軸型」の色素レーザーが使用されることがあります。 3535>
フラッシュランプの出力スペクトルは、主にその電流密度の製品です。 パルス持続時間に対する「爆発エネルギー」（1～10回のフラッシュで破壊するエネルギー量）を決定し、動作に安全なエネルギーレベルを選択した後、電圧と容量のバランスを調整して、出力を近赤外から遠紫外までのどこかに集中させることができます。 非常に高い電圧と低い電流を使用するため、電流密度が低くなる。 この場合、出力は近赤外を中心としたブロードなスペクトル線となり、Nd：YAGやエルビウム：YAGのような赤外レーザーの励起に最適となる。 電流密度を高くすると、スペクトル線がブレンドされ始め、連続体発光が生成されるところまで広がります。 長波長側は短波長側より低い電流密度で飽和レベルに達するため、電流を大きくすると出力中心が可視スペクトル側にシフトし、ルビーなどの可視光レーザーの励起に適する。 この時点で、ガスはほぼ理想的な “グレイボディ放射体 “になる。 3535>
キセノンは効率が良いので広く使われていますが、クリプトンもネオジム添加のレーザーロッドの励起によく使われます。 これは近赤外域のスペクトル線がネオジムの吸収線とよく一致し、全体の出力は低くてもクリプトンの方が伝達効率がよいからである。 特に吸収線が狭いNd:YAGでは有効である。 クリプトンで励起した場合、キセノンの2倍の出力が得られます。
アークランプ励起編集部
これらのガス放電ランプは、様々な希ガスのスペクトル線出力を示す。
アークランプは連続運転に対応できるポンプロッドに使用し、任意のサイズとパワーにすることが可能である。 一般的なアークランプは、ランプが動作するように設計された一定の電流レベルを維持するのに十分な高電圧で動作します。 これは多くの場合、10～50アンペアの範囲である。 アークランプは非常に高圧であるため、始動、すなわちアーク放電のために特別に設計された回路を必要とします。 打撃は通常、3段階で行われる。 トリガー段階では、「直列トリガー」トランスからの非常に高い電圧パルスが電極間にスパークストリーマーを発生させるが、インピーダンスが高すぎて主電圧が引き継ぐことができない。 次に「昇圧」段階が開始され、電極間の電圧降下よりも高い電圧がランプを通して駆動され、ガスがプラズマ状態に加熱される。 3535>
アークランプ励起は、フラッシュランプ励起レーザと同様の共振器で行われ、ロッドと1つまたは複数のランプが反射器共振器内に設置されます。 共振器の正確な形状は、使用するランプの数によって異なることが多い。 主な違いは、冷却にあります。 アークランプは水で冷却する必要があり、水がガラスを越えて電極のコネクターにも行き渡るようにする必要があります。 そのため、回路をショートさせたり、電気分解で電極を腐食させたりしないように、抵抗率が200キロオーム以上の脱イオン水を使用する必要がある。
アークランプには、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウムなど、ほぼすべての種類の希ガスがあり、いずれもそのガスに特有のスペクトル線を放射する。 アークランプの出力スペクトルは、ガス種にほとんど依存せず、低電流密度で動作するフラッシュランプに非常によく似た狭帯域のスペクトル線である。
外部レーザー励起編集
適切な種類のレーザーを用いて、別のレーザーを励起することができます。 励起レーザのスペクトルは狭いので、レーザ媒体の吸収線にぴったりと合わせることができ、フラッシュランプの広帯域発光よりもはるかに効率よくエネルギーを伝達することができます。 ダイオードレーザーは、固体レーザーや液体色素レーザーを励起する。 特に色素レーザーでは、リングレーザーの設計がよく用いられます。 リングレーザーは、3枚以上のミラーを使用して、円形の経路で光を反射させます。 3535>
その他の光ポンピング方法編集
マイクロ波や高周波電磁波は、ガスレーザーの励起に使用することができます。