PumpekaviteterRediger
En laser, der pumpes med en buelampe eller en lommelygte, pumpes normalt gennem lasermediets sidevæg, som ofte er i form af en krystalstav indeholdende en metallisk urenhed eller et glasrør indeholdende et flydende farvestof, i en tilstand kendt som “side-pumping”. For at udnytte lampens energi mest effektivt er lamperne og lasermediet indeholdt i en reflekterende kavitet, der vil omdirigere det meste af lampens energi ind i staven eller farvestofcellen.
I den mest almindelige konfiguration er forstærkningsmediet i form af en stang placeret i det ene fokus af et spejlkavitetsrum, der består af et elliptisk tværsnit vinkelret på stavens akse. Blitzlampen er et rør, der er placeret ved det andet fokus i ellipsen. Ofte vælges spejlets belægning således, at den reflekterer bølgelængder, der er kortere end laserudgangen, mens den absorberer eller transmitterer bølgelængder, der er de samme eller længere bølgelængder, for at minimere termisk linsevirkning. I andre tilfælde anvendes en absorbator for de længere bølgelængder. Ofte er lampen omgivet af en cylinderformet kappe, et såkaldt flowrør. Dette flowrør er normalt fremstillet af et glas, der absorberer uegnede bølgelængder, f.eks. ultraviolet, eller som giver en vej for kølevand, der absorberer infrarødt. Ofte er kappen forsynet med en dielektrisk belægning, som reflekterer uegnede bølgelængder af lys tilbage til lampen. Dette lys absorberes, og noget af det genudsendes ved passende bølgelængder. Strømrøret tjener også til at beskytte staven i tilfælde af et voldsomt lampesvigt.
Mindre ellipser skaber færre refleksioner, (en tilstand kaldet “close-coupling”), hvilket giver en højere intensitet i centrum af staven. For en enkelt lommelygte, hvis lampen og staven har samme diameter, er en ellipse, der er dobbelt så bred som høj, normalt den mest effektive til at afbilde lyset i staven. Staven og lampen er relativt lange for at minimere virkningen af tab ved endefladerne og for at sikre en tilstrækkelig længde af forstærkningsmediet. Længere lommelygter er også mere effektive til at overføre elektrisk energi til lys på grund af den højere impedans. Hvis staven er for lang i forhold til dens diameter, kan der imidlertid opstå en tilstand, der kaldes “prelasing”, hvorved stavens energi udtømmes, før den kan opbygges ordentligt. Staveenderne er ofte antirefleksbelagt eller skåret i Brewsters vinkel for at minimere denne effekt. Der anvendes også ofte flade spejle i enderne af pumpekaviteten for at reducere tabet.
Variationer af dette design anvender mere komplekse spejle bestående af overlappende elliptiske former for at gøre det muligt at pumpe en enkelt stang med flere flashlamper. Dette giver større effekt, men er mindre effektivt, fordi ikke alt lyset bliver afbildet korrekt i staven, hvilket fører til øget termisk tab. Disse tab kan minimeres ved at anvende en tæt koblet kavitet. Denne fremgangsmåde kan dog muliggøre en mere symmetrisk pumpning, hvilket øger strålekvaliteten.
En anden konfiguration anvender en stang og en lommelygte i en kavitet af et diffust reflekterende materiale, f.eks. spectralon eller pulveriseret bariumsulfat. Disse hulrum er ofte cirkulære eller aflange, da fokusering af lyset ikke er et primært mål. Dette kobler ikke lyset så godt ind i lasermediet, da lyset laver mange refleksioner, inden det når staven, men kræver ofte mindre vedligeholdelse end metalliserede reflektorer. Det øgede antal refleksioner opvejes af det diffuse medies højere refleksionsevne: 99 % sammenlignet med 97 % for et guldspejl. Denne fremgangsmåde er mere kompatibel med upolerede stænger eller flere lamper.
Parasitære tilstande opstår, når der opstår refleksioner i andre retninger end langs stavens længde, hvilket kan opbruge energi, som ellers ville være tilgængelig for strålen. Dette kan være et særligt problem, hvis stavens tønde er poleret. Cylindriske laserstænger understøtter whispering gallery-tilstande på grund af total intern refleksion mellem stangen og kølevandet, som reflekteres kontinuerligt rundt om stavens omkreds. Lysrørstilstande kan reflekteres ned langs stavens længde i en zig-zag-bane. Hvis staven har en antirefleksbelægning eller er nedsænket i en væske, der svarer til dens brydningsindeks, kan disse parasitære refleksioner reduceres drastisk. Hvis stavens tønde er groft slebet (matteret) eller rillet, kan de interne refleksioner ligeledes spredes.
Pumpning med en enkelt lampe har en tendens til at fokusere det meste af energien på den ene side, hvilket forværrer stråleprofilen. Det er almindeligt, at stænger har en matteret tønde for at sprede lyset, hvilket giver en mere jævn fordeling af lyset i hele stangen. Dette giver større energiabsorption i hele forstærkningsmediet, hvilket giver en bedre tværgående tilstand. Et matteret flowrør eller en diffus reflektor bidrager til at øge denne effekt, selv om det fører til lavere overførselseffektivitet, hvilket forbedrer forstærkningen.
Laserværtsmaterialer vælges således, at de har en lav absorption; kun doteringsstoffet absorberer. Derfor vil alt lys ved frekvenser, der ikke absorberes af doteringen, gå tilbage i lampen og genopvarme plasmaet, hvilket forkorter lampens levetid.
Pumper til lommelygterRediger
Flashlamper var den tidligste energikilde til lasere. De anvendes til høje pulsenergier i både faststof- og farvestoflasere. De producerer et bredt spektrum af lys, hvilket medfører, at det meste af energien går til spilde som varme i forstærkningsmediet. Lommelygter har også en tendens til at have en kort levetid. Den første laser bestod af en spiralformet flashlampe, der omgav en rubinstav.
Kartzflashlamper er den mest almindelige type, der anvendes i lasere, og ved lave energier eller høje gentagelseshastigheder kan de fungere ved temperaturer på helt op til 900 °C. Højere gennemsnitsenergier eller gentagelsesfrekvenser kræver vandkøling. Vandet skal normalt skylles over ikke blot lampens buelængde, men også over elektrodedelen af glasset. Vandkølede flashlamper fremstilles normalt med glasset skrumpet omkring elektroden for at muliggøre direkte køling af wolframet. Hvis elektroden får lov til at varme meget mere end glasset, kan den termiske ekspansion knække forseglingen.
Lampens levetid afhænger først og fremmest af det energiforbrug, der anvendes til den pågældende lampe. Lave energier giver anledning til sputtering, som kan fjerne materiale fra katoden og genaflejre det på glasset, hvilket giver et mørkt, spejlvendt udseende. Den forventede levetid ved lave energier kan være ret uforudsigelig. Høje energier forårsager vægablation, som ikke blot giver glasset et grumset udseende, men også svækker det strukturelt og frigiver ilt, hvilket påvirker trykket, men ved disse energiniveauer kan den forventede levetid beregnes med rimelig stor nøjagtighed.
Pulsvarigheden kan også påvirke levetiden. Meget lange pulser kan fjerne store mængder materiale fra katoden og aflejre det på væggene. Ved meget korte pulsvarigheder skal man sørge for, at lysbuen er centreret i lampen, langt væk fra glasset, så man undgår alvorlig ablation af væggene. Ekstern udløsning anbefales normalt ikke ved korte pulser. Simmer spændingstriggering anvendes normalt til ekstremt hurtige udladninger, som anvendes i farvestoflasere, og ofte kombineres dette med en “pre-pulse-teknik”, hvor som et lille blink initieres blot millisekunder før hovedblinket, for at forvarme gassen for at opnå en hurtigere stigningstid.
Farvestoflasere anvender undertiden “aksial pumpning”, som består af en hul, ringformet flashlampe, hvor den ydre indkapsling er spejlet for at reflektere passende lys tilbage til centrum. Farvestofcellen er placeret i midten, hvilket giver en mere jævn fordeling af pumpelyset og en mere effektiv overførsel af energi. Den hule flashlampe har også en lavere induktans end en normal flashlampe, hvilket giver en kortere blitzudladning. Sjældent anvendes der en “koaksial” konstruktion til farvestoflasere, som består af en normal flashlampe omgivet af en ringformet farvestofcelle. Dette giver en bedre overførselseffektivitet, idet behovet for en reflektor bortfalder, men diffraktionstab medfører en lavere forstærkning.
Det udgående spektrum af en flashlamp er primært et produkt af dens strømtæthed. Efter at have bestemt “eksplosionsenergien” for impulsvarigheden (den energimængde, der vil ødelægge den på et til ti blink) og valgt et sikkert energiniveau for driften, kan balancen mellem spænding og kapacitans justeres for at centrere output et sted fra det nærinfrarøde til det fjernt ultraviolette område. Lave strømtætheder skyldes anvendelse af meget høj spænding og lav strømstyrke. Dette giver udvidede spektrallinjer med output centreret i det nær-IR og er bedst til pumpning af infrarøde lasere som Nd:YAG og erbium:YAG. Højere strømtætheder udvider spektrallinjerne til det punkt, hvor de begynder at smelte sammen, og der opstår kontinuumemission. Længere bølgelængder når mætningsniveauet ved lavere strømtætheder end kortere bølgelængder, så når strømmen øges, forskydes outputcentret mod det visuelle spektrum, hvilket er bedre til pumpning af lasere med synligt lys, f.eks. rubin. På dette punkt bliver gassen næsten en ideel “greybody radiator”. Endnu højere strømtætheder vil producere sortlegemsstråling, hvilket centrerer output i det ultraviolette område.
Xenon anvendes i vid udstrækning på grund af dets gode effektivitet, selv om krypton ofte anvendes til pumpning af neodym-dopede laserstave. Dette skyldes, at spektrallinjerne i det nær-IR område passer bedre til neodymets absorptionslinjer, hvilket giver krypton en bedre overførselseffektivitet, selv om dets samlede udgangseffekt er lavere. Dette er især effektivt med Nd:YAG, som har en smal absorptionsprofil. Disse lasere kan, når de er pumpet med krypton, opnå op til dobbelt så stor udgangseffekt som xenon. Ved pumpning af Nd:YAG med krypton vælges normalt spektrallinjeemission, men da alle xenons spektrallinjer går forbi Nd:YAG’s absorptionsbånd, anvendes kontinuumemissionen ved pumpning med xenon.
BuelampepumpningRediger
Ark lamper bruges til pumpestænger, der kan tåle kontinuerlig drift, og kan laves i alle størrelser og med alle kræfter. Typiske buelamper fungerer ved en spænding, der er høj nok til at opretholde det bestemte strømniveau, som lampen er designet til at fungere for. Dette er ofte i størrelsesordenen 10 til 50 ampere. På grund af deres meget høje tryk kræver buelamper et specielt konstrueret kredsløb til opstart eller til at “tænde” buen. Lysbuens tænding sker normalt i tre faser. I udløsningsfasen skaber en ekstremt høj spændingspuls fra “serieudløser”-transformatoren en gniststråle mellem elektroderne, men impedansen er for høj til, at hovedspændingen kan tage over. Derefter indledes en “boost-spændingsfase”, hvor en spænding, der er højere end spændingsfaldet mellem elektroderne, drives gennem lampen, indtil gassen opvarmes til en plasmatilstand. Når impedansen bliver lav nok, tager “strømstyringsfasen” over, hvor hovedspændingen begynder at drive strømmen til et stabilt niveau.
Arklampepumpning foregår i en kavitet svarende til en flashlamppumpet laser med en stang og en eller flere lamper i en reflektorkavitet. Den nøjagtige form af kaviteten er ofte afhængig af, hvor mange lamper der anvendes. Den største forskel ligger i afkølingen. Buelamper skal køles med vand, og det skal sikres, at vandet skylles ud over glasset og også over elektrodeforbindelserne. Dette kræver brug af afioniseret vand med en resistivitet på mindst 200 kilohms for at undgå kortslutning af kredsløbet og korrosion af elektroderne gennem elektrolyse. Vandet ledes typisk gennem et strømningsrør med en hastighed på 4 til 10 liter pr. minut.
Ark lamper findes i næsten alle ædelgassetyper, herunder xenon, krypton, argon, neon og helium, som alle udsender spektrallinjer, der er meget specifikke for gassen. Udgangsspektret for en lysbuelampe afhænger mest af gastypen, idet det er smalbåndsspektrallinjer, der minder meget om en lommelygte, der drives ved lave strømtætheder. Udgangssignalet er højest i det nære infrarøde område, og bruges normalt til at pumpe infrarøde lasere som Nd:YAG.
Ekstern laserpumpningRediger
En laser af en egnet type kan bruges til at pumpe en anden laser. Pumpelaseren har et smalt spektrum, der gør det muligt at tilpasse den nøje til absorptionslinjerne i lasermediet, hvilket giver en langt mere effektiv energioverførsel end flashlampers bredbåndsemission. Diode lasere pumper faststoflasere og væskefarvestoflasere. Der anvendes ofte en ringlaserkonstruktion, især i farvestoflasere. Ringlaseren anvender tre eller flere spejle til at reflektere lyset i en cirkulær bane. Dette hjælper med at fjerne den stående bølge, der genereres af de fleste Fabry-Pérot-resonatorer, hvilket fører til en bedre udnyttelse af forstærkningsmediets energi.
Andre optiske pumpemetoderRediger
Mikrobølger eller radiofrekvent EM-stråling kan bruges til at excitere gaslasere.