PompholtenEdit
Een laser die met een booglamp of een flitslamp wordt gepompt, wordt gewoonlijk gepompt door de zijwand van het lasermedium, dat vaak de vorm heeft van een kristalstaaf die een metaalonzuiverheid bevat of een glazen buis die een vloeibare kleurstof bevat, in een toestand die bekend staat als “zijwaarts pompen”. Om de energie van de lamp zo efficiënt mogelijk te gebruiken, worden de lampen en het lasmedium in een reflecterende holte geplaatst die het grootste deel van de energie van de lamp naar de staaf of de kleurstofcel leidt.
In de meest voorkomende configuratie heeft het versterkingsmedium de vorm van een staaf die zich in één brandpunt van een gespiegelde holte bevindt, bestaande uit een elliptische dwarsdoorsnede loodrecht op de as van de staaf. De flitslamp is een buis die zich in het andere brandpunt van de ellips bevindt. Vaak wordt de coating van de spiegel zo gekozen dat golflengten die korter zijn dan de lichtopbrengst, worden weerkaatst terwijl golflengten die even lang of langer zijn, worden geabsorbeerd of doorgelaten, om thermische lenzen tot een minimum te beperken. In andere gevallen wordt een absorber voor de langere golflengten gebruikt. Vaak is de lamp omgeven door een cilindervormig omhulsel, stromingsbuis genaamd. Deze stromingsbuis is gewoonlijk gemaakt van een glas dat ongeschikte golflengten absorbeert, zoals ultraviolet, of een weg biedt voor koelwater dat infrarood absorbeert. Vaak wordt de mantel voorzien van een diëlektrische coating die ongeschikte golflengten van het licht terug naar de lamp weerkaatst. Dit licht wordt geabsorbeerd en een deel ervan wordt weer uitgezonden op geschikte golflengten. De stromingsbuis dient ook om de staaf te beschermen in geval van een hevige lampstoring.
Kleinere ellipsen creëren minder reflecties, (een toestand die “close-coupling” wordt genoemd), waardoor een hogere intensiteit in het midden van de staaf wordt verkregen. Voor een enkele flitslamp, als de lamp en de staaf dezelfde diameter hebben, is een ellips die tweemaal zo breed als hoog is gewoonlijk het meest efficiënt om het licht in de staaf te imagen. De staaf en de lamp zijn relatief lang om het effect van verliezen aan de eindvlakken te minimaliseren en om een voldoende lang versterkingsmedium te verschaffen. Langere flitslampen zijn ook efficiënter in het omzetten van elektrische energie in licht, vanwege de hogere impedantie. Indien de staaf echter te lang is in verhouding tot zijn diameter, kan een toestand optreden die “prelasing” wordt genoemd, waarbij de energie van de staaf wordt uitgeput voordat deze goed kan worden opgebouwd. De uiteinden van de staaf worden vaak van een antireflectiecoating voorzien of onder de hoek van Brewster afgesneden om dit effect te minimaliseren. Vlakke spiegels worden ook vaak gebruikt aan de uiteinden van de pompholte om verlies te verminderen.
Variaties op dit ontwerp gebruiken complexere spiegels bestaande uit overlappende elliptische vormen, om meerdere flitslampen toe te staan een enkele staaf te pompen. Dit laat een groter vermogen toe, maar zijn minder efficiënt omdat niet al het licht correct in de staaf wordt geïmplanteerd, wat leidt tot verhoogde thermische verliezen. Deze verliezen kunnen tot een minimum worden beperkt door een nauw gekoppelde holte te gebruiken. Deze benadering kan meer symmetrisch pompen toestaan, waardoor de straalkwaliteit echter toeneemt.
Een andere configuratie gebruikt een staaf en een flitslamp in een holte gemaakt van een diffuus reflecterend materiaal, zoals spectralon of poedervormig bariumsulfaat. Deze holten zijn vaak rond of langwerpig, omdat het bundelen van het licht niet het hoofddoel is. Dit koppelt het licht niet zo goed in het lasmedium, omdat het licht veel reflecties maakt voordat het de staaf bereikt, maar vergt vaak minder onderhoud dan gemetalliseerde reflectoren. Het grotere aantal reflecties wordt gecompenseerd door het hogere reflectievermogen van het diffuse medium: 99% tegen 97% voor een goudspiegel. Deze benadering is beter geschikt voor ongepolijste staven of meervoudige lampen.
Parasitaire toestanden treden op wanneer reflecties worden opgewekt in andere richtingen dan langs de lengte van de staaf, waardoor energie kan worden verbruikt die anders voor de bundel beschikbaar zou zijn. Dit kan vooral een probleem zijn als de staaf gepolijst is. Cilindrische laserstaven ondersteunen fluistergalerijmodi als gevolg van totale interne reflectie tussen de staaf en het koelwater, die continu rond de omtrek van de staaf reflecteren. Lichtpijpmodi kunnen zigzag over de lengte van de staaf reflecteren. Indien de staaf is voorzien van een antireflectiecoating of is ondergedompeld in een vloeistof met dezelfde brekingsindex, kunnen deze parasitaire reflecties drastisch worden verminderd. Evenzo, als het vat van de staaf ruw wordt geslepen (berijpt), of gegroefd, kunnen de interne reflecties worden verspreid.
Pompen met één enkele lamp neigt om het grootste deel van de energie aan één kant te concentreren, verslechtering van het straalprofiel. Het is gebruikelijk voor staafjes om een berijpt vat te hebben, om het licht te verspreiden, verstrekkend een gelijkmatigere distributie van licht door het staafje. Dit maakt meer energieabsorptie door het versterkingsmedium mogelijk voor een betere transversale modus. Een berijpte stromingsbuis of diffuse reflector leidt weliswaar tot een lagere overdrachtsefficiëntie, maar helpt dit effect te vergroten, waardoor de versterking wordt verbeterd.
Laser host materialen worden gekozen om een lage absorptie te hebben; alleen de doteringsstof absorbeert. Daarom zal licht op frequenties die niet door de dotering worden geabsorbeerd, terug in de lamp gaan en het plasma opnieuw verhitten, waardoor de levensduur van de lamp wordt verkort.
Flashlamp pompenEdit
Flitslampen waren de vroegste energiebron voor lasers. Zij worden gebruikt voor hoge pulserende energieën in zowel vastestof- als kleurstoflasers. Zij produceren een breed lichtspectrum, waardoor het grootste deel van de energie verloren gaat als warmte in het versterkingsmedium. Flitslampen hebben ook de neiging een korte levensduur te hebben. De eerste laser bestond uit een spiraalvormige flitslamp rond een robijnstaaf.
Kwartsflitslampen zijn het meest gebruikte type in lasers, en kunnen bij lage vermogens of hoge herhalingssnelheden werken bij temperaturen tot 900 °C. Hogere gemiddelde vermogens of herhalingssnelheden vereisen waterkoeling. Het water moet gewoonlijk niet alleen over de booglengte van de lamp spoelen, maar ook over het elektrodegedeelte van het glas. Watergekoelde flitslampen worden gewoonlijk vervaardigd met het glas gekrompen rond de elektrode om directe koeling van het wolfraam mogelijk te maken. Als de elektrode veel meer wordt verwarmd dan het glas, kan de thermische uitzetting de afdichting doen barsten.
De levensduur van een lamp hangt voornamelijk af van het energieregime dat voor de lamp in kwestie wordt gebruikt. Lage energieën geven aanleiding tot sputteren, waardoor materiaal van de kathode kan worden verwijderd en opnieuw op het glas kan worden afgezet, waardoor een verduisterde, gespiegelde indruk ontstaat. De levensduur bij lage energieën kan zeer onvoorspelbaar zijn. Hoge energieën veroorzaken ablatie van de wand, waardoor het glas er niet alleen troebel uitziet, maar ook structureel verzwakt en zuurstof vrijkomt, wat de druk beïnvloedt, maar bij deze energieniveaus kan de levensduur met een redelijke mate van nauwkeurigheid worden berekend.
De pulsduur kan ook de levensduur beïnvloeden. Zeer lange pulsen kunnen grote hoeveelheden materiaal van de kathode verwijderen, waardoor het op de wanden neerslaat. Met zeer korte pulsduur moet ervoor worden gezorgd dat de boog gecentreerd is in de lamp, ver weg van het glas, om ernstige ablatie van de wanden te voorkomen. Externe triggering wordt gewoonlijk niet aanbevolen voor korte pulsen. Simmerspanning wordt meestal gebruikt voor extreem snelle ontladingen, zoals in kleurstoflasers, en vaak wordt dit gecombineerd met een “voorpuls-techniek”, waarbij een kleine flits slechts milliseconden vóór de hoofdflits wordt gestart, om het gas voor te verwarmen voor een snellere stijgtijd.
In kleurstoflasers wordt soms gebruik gemaakt van “axiaal pompen”, dat bestaat uit een holle, ringvormige flitslamp, waarvan het buitenste omhulsel is gespiegeld om geschikt licht naar het centrum terug te kaatsen. De kleurstofcel is in het midden geplaatst, waardoor een gelijkmatigere verdeling van het pomplicht en een efficiëntere overdracht van energie wordt verkregen. De holle flitslamp heeft ook een lagere inductie dan een normale flitslamp, wat voor een kortere flitsontlading zorgt. In zeldzame gevallen wordt voor kleurstoflasers een “coaxiaal” ontwerp gebruikt, dat bestaat uit een normale flitslamp met daaromheen een ringvormige kleurstofcel. Dit geeft een betere overdrachtsefficiëntie, waardoor een reflector niet meer nodig is, maar diffractieverliezen veroorzaken een lagere versterking.
Het uitgangsspectrum van een flitslamp is in de eerste plaats een product van de stroomdichtheid. Na het bepalen van de “explosie-energie” voor de pulsduur, (de hoeveelheid energie die het in één tot tien flitsen zal vernietigen), en het kiezen van een veilig energieniveau voor verrichting, kan het saldo van voltage en capaciteit worden aangepast om de output overal van het dichtbijgelegen infrarode aan het verre ultraviolet te centreren. Lage stroomdichtheden zijn het gevolg van het gebruik van een zeer hoge spanning en een lage stroom. Dit levert verbrede spectraallijnen op met het centrum van de output in het nabije-IR, en is het beste voor het pompen van infrarode lasers zoals Nd:YAG en erbium:YAG. Hogere stroomdichtheden verbreden de spectraallijnen tot het punt waar ze beginnen samen te vloeien en continuümemissie wordt geproduceerd. Langere golflengten bereiken verzadigingsniveaus bij lagere stroomdichtheden dan kortere golflengten, zodat naarmate de stroomsterkte wordt verhoogd, het uitgangscentrum verschuift in de richting van het zichtbare spectrum, dat beter is voor het pompen van zichtbaarlichtlasers, zoals robijn. Op dit punt wordt het gas bijna een ideale “grijze straler”. Nog hogere stroomdichtheden zullen zwartlichaampjesstraling produceren, waardoor het centrum van de output in het ultraviolet komt te liggen.
Xenon wordt veel gebruikt vanwege zijn goede efficiëntie, hoewel krypton vaak wordt gebruikt voor het pompen van neodymium-gedoteerde laserstaven. Dit komt omdat de spectraallijnen in het nabije-IR-bereik beter overeenkomen met de absorptielijnen van neodymium, waardoor krypton een betere overdrachtsefficiëntie heeft, ook al is het totale uitgangsvermogen lager. Dit is vooral effectief bij Nd:YAG, dat een smal absorptieprofiel heeft. Gepompt met krypton kunnen deze lasers tot tweemaal het uitgangsvermogen bereiken dat met xenon kan worden verkregen. Bij het pompen van Nd:YAG met krypton wordt gewoonlijk gekozen voor spectraallijnemissie, maar aangezien alle spectraallijnen van xenon de absorptiebanden van Nd:YAG missen, wordt bij het pompen met xenon de continuümemissie gebruikt.
Booglamp pompenEdit
Arc-lampen worden gebruikt voor het pompen van staven die continu in bedrijf kunnen zijn, en kunnen van elke grootte en elk vermogen worden gemaakt. Typische booglampen werken bij een voltage dat hoog genoeg is om het bepaalde stroomniveau te handhaven waarvoor de lamp is ontworpen om te werken. Dit ligt vaak in de orde van 10 tot 50 ampère. Wegens hun zeer hoge druk vereisen booglampen speciaal ontworpen schakelingen voor het opstarten, of het “slaan” van de boog. Het ontsteken gebeurt gewoonlijk in drie fasen. In de startfase creëert een extreem hoge spanningspuls van de “serieschakelingstransformator” een vonkstraal tussen de elektroden, maar de impedantie is te hoog voor de hoofdspanning om het over te nemen. Vervolgens wordt een “boost voltage”-fase gestart, waarin een spanning die hoger is dan de spanningsval tussen de elektroden door de lamp wordt gestuurd, totdat het gas wordt verwarmd tot een plasmatoestand. Wanneer de impedantie laag genoeg wordt, neemt de fase van de “stroomregeling” het over, waarin de hoofdspanning de stroom naar een stabiel niveau begint te drijven.
Arc-lamp pompen vindt plaats in een holte die lijkt op een door een flitslamp opgepompte laser, met een staaf en een of meer lampen in een reflectorholte. De precieze vorm van de holte is vaak afhankelijk van het aantal lampen dat wordt gebruikt. Het belangrijkste verschil zit in de koeling. Booglampen moeten worden gekoeld met water, waarbij ervoor moet worden gezorgd dat het water voorbij het glas spoelt, en ook over de elektrodeconnectoren. Dit vereist het gebruik van gedeïoniseerd water met een weerstand van minstens 200 kilohm, om te voorkomen dat het circuit kortgesloten wordt en de elektroden door elektrolyse worden aangetast. Water wordt gewoonlijk door een stromingsbuis geleid met een snelheid van 4 tot 10 liter per minuut.
Arc-lampen zijn er in bijna alle edelgassoorten, met inbegrip van xenon, krypton, argon, neon, en helium, die alle spectraallijnen uitzenden die zeer specifiek zijn voor het gas. Het uitgangsspectrum van een booglamp is grotendeels afhankelijk van het gastype, en bestaat uit spectraallijnen met een smalle band die veel lijken op die van een flitslamp die bij een lage stroomdichtheid werkt. De output is het hoogst in het nabije infrarood, en wordt gewoonlijk gebruikt om infraroodlasers zoals Nd:YAG te pompen.
Externe laserpumpingEdit
Een laser van een geschikt type kan worden gebruikt om een andere laser te pompen. Door het smalle spectrum van de pomplaser kan deze nauwkeurig worden afgestemd op de absorptielijnen van het lasmedium, waardoor de energieoverdracht veel efficiënter is dan bij de breedbandemissie van flitslampen. Diodelasers pompen vastestoflasers en vloeibare kleurstoflasers. Een ringlaserontwerp wordt vaak gebruikt, vooral in kleurstoflasers. De ringlaser maakt gebruik van drie of meer spiegels om het licht in een cirkelvormige baan te weerkaatsen. Dit helpt bij het elimineren van de staande golf die door de meeste Fabry-Pérot resonatoren wordt gegenereerd, hetgeen leidt tot een beter gebruik van de energie van het versterkingsmedium.
Andere optische pompmethodenEdit
Microwaves of radiofrequente EM-straling kunnen worden gebruikt om gaslasers te exciteren.