Wnęki pompująceEdit
Laser pompowany lampą łukową lub lampą błyskową jest zwykle pompowany przez boczną ściankę ośrodka emitującego światło, który często ma postać pręta krystalicznego zawierającego zanieczyszczenie metaliczne lub rurki szklanej zawierającej ciekły barwnik, w stanie znanym jako „pompowanie boczne”. W celu najbardziej efektywnego wykorzystania energii lampy, lampy i czynnik świecący znajdują się we wnęce odbijającej, która przekierowuje większość energii lampy do pręta lub komórki barwnika.
W najbardziej powszechnej konfiguracji, ośrodek wzmocnienia jest w postaci pręta umieszczonego w jednym ognisku wnęki lustrzanej, składającej się z eliptycznego przekroju poprzecznego prostopadłego do osi pręta. Lampę błyskową stanowi tuba umieszczona w drugim ognisku elipsy. Często powłoka lustra jest tak dobrana, aby odbijała fale o długości krótszej niż moc wyjściowa lampy, jednocześnie pochłaniając lub przepuszczając fale o tej samej lub większej długości, aby zminimalizować soczewkowanie termiczne. W innych przypadkach stosuje się absorber dla dłuższych fal. Często lampa otoczona jest cylindrycznym płaszczem zwanym rurką przepływową. Ta rurka przepływowa jest zwykle wykonana ze szkła, które pochłania nieodpowiednie długości fal, takie jak ultrafiolet, lub zapewnia drogę dla wody chłodzącej, która pochłania podczerwień. Często płaszcz jest wyposażony w powłokę dielektryczną, która odbija nieodpowiednie długości fal światła z powrotem do lampy. Światło to jest pochłaniane i część z niego jest ponownie emitowana przy odpowiednich długościach fal. Rurka przepływowa służy również do ochrony pręta w przypadku gwałtownej awarii lampy.
Mniejsze elipsy tworzą mniej odbić, (warunek zwany „bliskim sprzężeniem”), dając większe natężenie w centrum pręta. Dla pojedynczej lampy błyskowej, jeśli lampa i pręt mają taką samą średnicę, elipsa, która jest dwa razy szersza niż wysokość jest zazwyczaj najbardziej efektywna w obrazowaniu światła do pręta. Pręt i lampa są stosunkowo długie, aby zminimalizować efekt strat na powierzchniach czołowych i zapewnić wystarczającą długość ośrodka wzmacniającego. Dłuższe lampy błyskowe są również bardziej wydajne w przenoszeniu energii elektrycznej na światło, ze względu na wyższą impedancję. Jednakże, jeśli pręt jest zbyt długi w stosunku do swojej średnicy, może wystąpić stan zwany „prelasingiem”, który wyczerpuje energię pręta, zanim ta zdąży się odpowiednio nagromadzić. Końce prętów są często pokryte powłoką antyrefleksyjną lub przycięte pod kątem Brewstera, aby zminimalizować ten efekt. Płaskie lustra są również często używane na końcach wnęki pompy, aby zmniejszyć straty.
Wariacje na temat tego projektu używać bardziej złożonych luster składających się z nakładających się eliptycznych kształtów, aby umożliwić wielu lamp błyskowych do pompowania pojedynczego pręta. Pozwala to na większą moc, ale są mniej wydajne, ponieważ nie całe światło jest prawidłowo obrazowane do pręta, co prowadzi do zwiększonych strat termicznych. Straty te można zminimalizować stosując blisko sprzężoną wnękę. Takie podejście może pozwolić na bardziej symetryczne pompowanie, zwiększając jakość wiązki, jednak.
Inna konfiguracja wykorzystuje pręt i lampę błyskową we wnęce wykonanej z materiału odbijającego rozproszone, takiego jak spektralon lub sproszkowany siarczan baru. Wnęki te są często okrągłe lub podłużne, ponieważ skupianie światła nie jest głównym celem. W ten sposób światło nie jest tak dobrze sprzężone z ośrodkiem świecącym, ponieważ przed dotarciem do pręta światło ulega wielu odbiciom, ale często wymaga mniejszej konserwacji niż w przypadku reflektorów metalizowanych. Zwiększona liczba odbić jest kompensowana przez wyższą refleksyjność ośrodka rozpraszającego: 99% w porównaniu do 97% dla złotego lustra. To podejście jest bardziej kompatybilne z niepolerowanymi prętami lub wieloma lampami.
Tryby pasożytnicze występują, gdy odbicia są generowane w kierunkach innych niż wzdłuż długości pręta, co może zużywać energię, która w przeciwnym razie byłaby dostępna dla wiązki. Może to stanowić szczególny problem, jeśli korpus pręta jest polerowany. Cylindryczne pręty laserowe obsługują tryby galerii szeptów z powodu całkowitego wewnętrznego odbicia pomiędzy prętem a wodą chłodzącą, które odbijają się w sposób ciągły na obwodzie pręta. Tryby rury świetlnej mogą odbijać się w dół długości pręta po ścieżce zygzakowatej. Jeśli pręt posiada powłokę antyrefleksyjną lub jest zanurzony w cieczy, która odpowiada jego współczynnikowi załamania światła, może drastycznie zredukować te pasożytnicze odbicia. Podobnie, jeśli baryłka pręta jest szorstko szlifowana (oszroniona), lub rowkowana, wewnętrzne odbicia mogą być rozproszone.
Pompowanie pojedynczą lampą ma tendencję do skupiania większości energii po jednej stronie, pogarszając profil wiązki. Powszechne jest, że pręty mają oszronioną baryłkę, aby rozproszyć światło, zapewniając bardziej równomierny rozkład światła w całym pręcie. Pozwala to na większą absorpcję energii w całym ośrodku wzmacniającym dla lepszego trybu poprzecznego. Szroniona rura przepływowa lub reflektor rozproszony, prowadząc do obniżonej wydajności transferu, pomaga zwiększyć ten efekt, poprawiając wzmocnienie.
Materiały gospodarza lasera są wybierane tak, aby miały niską absorpcję; tylko domieszka absorbuje. Dlatego każde światło o częstotliwościach nie zaabsorbowanych przez domieszkę wróci do lampy i ponownie podgrzeje plazmę, skracając żywotność lampy.
Lampy błyskowe pompująceEdit
Lampy błyskowe były najwcześniejszym źródłem energii dla laserów. Stosowane są do wysokich energii impulsowych zarówno w laserach półprzewodnikowych jak i barwnikowych. Produkują one szerokie spektrum światła, powodując, że większość energii jest tracona jako ciepło w ośrodku wzmacniającym. Lampy błyskowe mają również krótki czas życia. Pierwszy laser składał się z lampy spiralnej otaczającej rubinowy pręt.
Kwarcowe lampy błyskowe są najbardziej powszechnym typem stosowanym w laserach, a przy niskich energiach lub wysokich częstotliwościach powtarzania mogą pracować w temperaturach do 900 °C. Wyższe średnie moce lub częstotliwości powtarzania wymagają chłodzenia wodą. Woda zazwyczaj musi przepływać nie tylko przez łuk lampy, ale także przez część elektrodową szkła. Chłodzone wodą lampy błyskowe są zazwyczaj produkowane z szkła skurczył wokół elektrody, aby umożliwić bezpośrednie chłodzenie wolframu. Jeśli elektroda jest dozwolone do ogrzewania znacznie więcej niż szkło rozszerzalność cieplna może złamać seal.
Żywotność lampy zależy przede wszystkim od reżimu energetycznego używanego do konkretnej lampy. Niskie energie powodują rozpylanie, które może usunąć materiał z katody i ponownie umieścić go na szkle, tworząc zaciemniony, lustrzany wygląd. Żywotność przy niskich energiach może być dość nieprzewidywalna. Wysokie energie powodują ablację ścian, która nie tylko nadaje szkłu mętny wygląd, ale także osłabia je strukturalnie i uwalnia tlen, wpływając na ciśnienie, ale przy tych poziomach energii przewidywaną żywotność można obliczyć z dość dużą dokładnością.
Czas trwania impulsu może również wpływać na żywotność. Bardzo długie impulsy mogą usunąć duże ilości materiału z katody, osadzając go na ściankach. Przy bardzo krótkich czasach trwania impulsów, należy zadbać o to, aby łuk był wyśrodkowany w lampie, z dala od szkła, co zapobiega poważnej ablacji ścian. Zewnętrzne wyzwalanie nie jest zwykle zalecane dla krótkich impulsów. Wyzwalanie napięciem Simmera jest zwykle stosowane dla bardzo szybkich wyładowań, jak te stosowane w laserach barwnikowych, i często łączy się to z „techniką wstępnego impulsu”, gdzie jako mały błysk jest inicjowany zaledwie milisekundy przed głównym błyskiem, w celu wstępnego podgrzania gazu dla szybszego czasu narastania.
Lasery barwnikowe czasami używają „pompowania osiowego”, które składa się z wydrążonego, pierścieniowego kształtu lampy błyskowej, z zewnętrzną powłoką lustrzaną w celu odbicia odpowiedniego światła z powrotem do centrum. Komórka z barwnikiem jest umieszczona w środku, co zapewnia bardziej równomierny rozkład światła pompującego i bardziej efektywny transfer energii. Wydrążona lampa błyskowa ma również mniejszą indukcyjność niż zwykła lampa błyskowa, co zapewnia krótszy czas rozładowania błysku. Rzadko w laserach barwnikowych stosuje się konstrukcję „współosiową”, która składa się z normalnej lampy błyskowej otoczonej pierścieniowo ukształtowanym ogniwem barwnikowym. Zapewnia to lepszą wydajność transferu, eliminując potrzebę reflektora, ale straty dyfrakcyjne powodują niższe wzmocnienie.
Widmo wyjściowe lampy błyskowej jest przede wszystkim produktem jej gęstości prądu. Po określeniu „energii wybuchu” dla czasu trwania impulsu, (ilość energii, która zniszczy go w jednym do dziesięciu błysków), i wybierając bezpieczny poziom energii do pracy, równowaga napięcia i pojemności może być regulowana w celu wyśrodkowania wyjścia w dowolnym miejscu od bliskiej podczerwieni do dalekiego ultrafioletu. Niska gęstość prądu wynika z zastosowania bardzo wysokiego napięcia i niskiego natężenia prądu. To produkuje poszerzone linie spektralne z wyjściem skupionym w bliskiej podczerwieni i jest najlepsze do pompowania laserów podczerwonych, takich jak Nd:YAG i erb:YAG. Wyższe gęstości prądu poszerza linie widmowe do punktu, w którym zaczynają mieszać się ze sobą, a emisja continuum jest produkowany. Dłuższe fale osiągają poziom nasycenia przy niższych gęstościach prądu niż krótsze fale, więc wraz ze wzrostem prądu centrum wyjściowe przesuwa się w kierunku widma widzialnego, co jest lepsze do pompowania laserów światła widzialnego, takich jak rubin. W tym momencie gaz staje się niemal idealnym „szarym radiatorem”. Nawet wyższe gęstości prądu będzie produkować promieniowanie ciała czarnego, centrując wyjście w ultrafiolecie.
Xenon jest szeroko stosowany ze względu na jego dobrą wydajność, chociaż krypton jest często używany do pompowania prętów laserowych z domieszką neodymu. Dzieje się tak, ponieważ linie spektralne w zakresie bliskiej podczerwieni lepiej pasują do linii absorpcyjnych neodymu, dając kryptonowi lepszą wydajność transferu, mimo że jego całkowita moc wyjściowa jest niższa. Jest to szczególnie skuteczne w przypadku Nd:YAG, który ma wąski profil absorpcji. Lasery te, pompowane kryptonem, mogą osiągnąć do dwóch razy większą moc wyjściową niż ksenon. Emisja linii spektralnej jest zwykle wybierana przy pompowaniu Nd:YAG kryptonem, ale ponieważ wszystkie linie spektralne ksenonu omijają pasma absorpcji Nd:YAG, przy pompowaniu ksenonem używana jest emisja continuum.
Pompowanie lampą łukowąEdit
Lampy łukowe są używane do pompowania prętów, które mogą wspierać ciągłą pracę, i mogą być wykonane dowolnej wielkości i mocy. Typowe lampy łukowe działają przy napięciu wystarczająco wysokim, aby utrzymać określony poziom prądu, dla którego lampa została zaprojektowana do pracy. Jest to często w zakresie od 10 do 50 amperów. Ze względu na bardzo wysokie ciśnienie, lampy łukowe wymagają specjalnie zaprojektowanych obwodów do rozruchu lub „uderzenia” łuku. Zajarzenie łuku odbywa się zazwyczaj w trzech fazach. W fazie wyzwalania, ekstremalnie wysoki impuls napięcia z transformatora „wyzwalacza szeregowego” tworzy strumień iskier pomiędzy elektrodami, ale impedancja jest zbyt wysoka, aby główne napięcie mogło przejąć kontrolę. Następnie inicjowana jest faza „boost voltage”, w której napięcie wyższe niż spadek napięcia pomiędzy elektrodami jest kierowane przez lampę, aż do momentu podgrzania gazu do stanu plazmy. Kiedy impedancja staje się wystarczająco niska, następuje faza „kontroli prądu”, w której główne napięcie zaczyna napędzać prąd do stabilnego poziomu.
Pompowanie lampą łukową odbywa się we wnęce podobnej do lasera pompowanego lampą błyskową, z prętem i jedną lub więcej lampami we wnęce reflektora. Dokładny kształt wnęki jest często zależny od tego, ile lamp jest używanych. Główna różnica polega na chłodzeniu. Lampy łukowe muszą być chłodzone wodą, co zapewnia, że woda jest wypłukiwana poza szkło, a także przez złącza elektrod. Wymaga to użycia wody dejonizowanej o rezystywności co najmniej 200 kiloomów, aby nie dopuścić do zwarcia obwodu i korozji elektrod w wyniku elektrolizy. Woda jest zazwyczaj kierowane przez rurkę przepływu w tempie 4 do 10 litrów na minutę.
Lampy łukowe pochodzą w prawie wszystkich typów gazów szlachetnych, w tym ksenon, krypton, argon, neon i hel, które emitują linie widmowe, które są bardzo specyficzne dla gazu. Widmo wyjściowe lampy łukowej zależy głównie od rodzaju gazu, jest to wąskie pasmo linii widmowych bardzo podobne do widma lampy błyskowej pracującej przy niskich gęstościach prądu. Moc wyjściowa jest najwyższa w bliskiej podczerwieni i są zwykle używane do pompowania laserów podczerwonych, takich jak Nd:YAG.
Zewnętrzne pompowanie laseroweEdit
Laser odpowiedniego typu może być użyty do pompowania innego lasera. Wąskie widmo lasera pompującego pozwala na ścisłe dopasowanie go do linii absorpcyjnych ośrodka emitującego światło, dzięki czemu transfer energii jest znacznie bardziej wydajny niż w przypadku szerokopasmowej emisji lamp błyskowych. Lasery diodowe pompują lasery na ciele stałym i ciekłe lasery barwnikowe. Konstrukcja lasera pierścieniowego jest często stosowana, szczególnie w laserach barwnikowych. Laser pierścieniowy wykorzystuje trzy lub więcej luster do odbijania światła po ścieżce kołowej. Pomaga to wyeliminować falę stojącą generowaną przez większość rezonatorów Fabry’ego-Pérota, co prowadzi do lepszego wykorzystania energii ośrodka wzmocnienia.
Inne metody pompowania optycznegoEdit
Mikrofale lub promieniowanie EM o częstotliwości radiowej mogą być używane do wzbudzania laserów gazowych.