Cavidades de bombeamentoEditar
Um laser bombeado com uma lâmpada de arco voltaico ou uma lanterna é geralmente bombeado através da parede lateral do meio de bombeamento, que muitas vezes tem a forma de uma haste de cristal contendo uma impureza metálica ou um tubo de vidro contendo um corante líquido, em uma condição conhecida como “bombeamento lateral”. Para utilizar a energia da lâmpada da forma mais eficiente possível, as lâmpadas e o meio de laser estão contidos numa cavidade reflectora que irá redireccionar a maior parte da energia da lâmpada para a haste ou célula de corante.
Na configuração mais comum, o meio de ganho é na forma de uma haste localizada em um foco de uma cavidade espelhada, consistindo em uma seção transversal elíptica perpendicular ao eixo da haste. A lanterna é um tubo localizado no outro foco da elipse. Muitas vezes o revestimento do espelho é escolhido para refletir comprimentos de onda que são mais curtos do que a saída da laminação enquanto absorve ou transmite comprimentos de onda que são iguais ou mais longos, para minimizar a lente térmica. Em outros casos, é usado um absorvedor para os comprimentos de onda mais longos. Muitas vezes, a lâmpada é rodeada por uma camisa cilíndrica chamada tubo de fluxo. Este tubo de fluxo é geralmente feito de um vidro que absorverá comprimentos de onda inadequados, como o ultravioleta, ou fornecerá um caminho para o resfriamento da água que absorve infravermelho. Muitas vezes, a jaqueta recebe um revestimento dielétrico que reflete comprimentos de onda inadequados da luz de volta para a lâmpada. Esta luz é absorvida e parte dela é reemitida em comprimentos de onda adequados. O tubo de fluxo também serve para proteger a haste em caso de falha violenta da lâmpada.
Ellipses menores criam menos reflexos, (uma condição chamada “close-coupling”), dando maior intensidade no centro da haste. Para uma única lanterna, se a lâmpada e a haste tiverem o mesmo diâmetro, uma elipse que tenha o dobro da largura é geralmente a mais eficiente para a imagem da luz dentro da haste. A haste e a lâmpada são relativamente longas para minimizar o efeito das perdas nas faces finais e para fornecer um comprimento suficiente de meio de ganho. As lanternas mais longas também são mais eficientes na transferência de energia elétrica para a luz, devido à maior impedância. No entanto, se a haste for muito longa em relação ao seu diâmetro, pode ocorrer uma condição chamada “prelasing”, esgotando a energia da haste antes que ela possa se acumular adequadamente. Os terminais de haste são frequentemente revestidos ou cortados no ângulo do Brewster para minimizar este efeito. Espelhos planos também são frequentemente usados nas extremidades da cavidade da bomba para reduzir a perda.
Variações neste projeto usam espelhos mais complexos compostos de formas elípticas sobrepostas, para permitir que várias lanternas bombeiem uma única haste. Isto permite uma maior potência, mas são menos eficientes porque nem toda a luz é correctamente imergida na haste, levando a um aumento das perdas térmicas. Estas perdas podem ser minimizadas através da utilização de uma cavidade fechada. Esta abordagem pode permitir um bombeamento mais simétrico, aumentando a qualidade do feixe, no entanto.
Outra configuração utiliza uma haste e uma lanterna numa cavidade feita de um material difuso reflector, como o espectralon ou sulfato de bário em pó. Estas cavidades são frequentemente circulares ou oblongas, uma vez que focalizar a luz não é um objectivo primário. Isto não aglutina tão bem a luz com o meio de iluminação, uma vez que a luz faz muitos reflexos antes de alcançar a haste, mas muitas vezes requer menos manutenção do que os reflectores metalizados. O aumento do número de reflexos é compensado pela maior reflectividade do meio difuso: 99% em comparação com os 97% de um espelho de ouro. Esta abordagem é mais compatível com hastes não polidas ou múltiplas lâmpadas.
Modos parasitas ocorrem quando as reflexões são geradas em direções diferentes do comprimento da haste, que pode consumir energia que de outra forma estaria disponível para o feixe. Isto pode ser um problema particular se o barril da haste for polido. As hastes cilíndricas a laser suportam modos de galeria sussurrando devido à reflexão interna total entre a haste e a água de resfriamento, que refletem continuamente ao redor da circunferência da haste. Os modos de tubos leves podem refletir o comprimento da haste em um caminho em zig-zag. Se a haste tem um revestimento anti-reflexo, ou está imersa em um fluido que corresponde ao seu índice de refração, ela pode reduzir drasticamente esses reflexos parasitas. Da mesma forma, se o barril da haste for de terra áspera (fosco), ou ranhurado, os reflexos internos podem ser dispersos.
Bombagem com uma única lâmpada tende a focalizar a maior parte da energia de um lado, piorando o perfil do feixe. É comum que as hastes tenham um barril fosco, para difundir a luz, proporcionando uma distribuição mais uniforme da luz através da haste. Isto permite uma maior absorção de energia em todo o meio de ganho para um melhor modo transversal. Um tubo de fluxo fosco ou reflector difuso, ao mesmo tempo que leva a uma menor eficiência de transferência, ajuda a aumentar este efeito, melhorando o ganho.
O material hospedeiro é escolhido para ter uma baixa absorção; apenas o dopante absorve. Portanto, qualquer luz em frequências não absorvidas pelo dopante voltará a entrar na lâmpada e reaquecer o plasma, encurtando a vida da lâmpada.
Lâmpada de bombeamento de luzLâmpada de flashEditar
As lanternas foram a fonte de energia mais antiga para os lasers. Eles são usados para altas energias pulsadas tanto em lasers de estado sólido quanto em lasers de corantes. Eles produzem um amplo espectro de luz, fazendo com que a maior parte da energia seja desperdiçada como calor no meio de ganho. Os flashes também tendem a ter uma vida útil curta. O primeiro laser consistiu de uma lanterna helicoidal ao redor de uma haste de rubi.
A lanterna de quartzo é o tipo mais comum usado em lasers e, com baixas energias ou altas taxas de repetição, pode operar a temperaturas tão altas quanto 900 °C. Potências médias mais elevadas ou taxas de repetição requerem arrefecimento a água. A água normalmente tem que ser lavada não apenas através do comprimento do arco da lâmpada, mas também através da porção do eletrodo do vidro. As lanternas resfriadas a água são normalmente fabricadas com o vidro encolhido ao redor do eletrodo para permitir o resfriamento direto do tungstênio. Se for permitido que o eletrodo aqueça muito mais do que a expansão térmica do vidro pode rachar a vedação.
A vida útil da lâmpada depende principalmente do regime de energia utilizado para a lâmpada em particular. As baixas energias dão origem a salpicos, que podem remover o material do cátodo e redepositá-lo no vidro, criando uma aparência escurecida e espelhada. A expectativa de vida em baixas energias pode ser bastante imprevisível. As energias altas causam ablação da parede, o que não só dá ao vidro uma aparência turva, mas também o enfraquece estruturalmente e libera oxigênio, afetando a pressão, mas nestes níveis de energia a expectativa de vida pode ser calculada com uma certa precisão.
A duração do impulso também pode afetar a vida útil. Pulsos muito longos podem retirar grandes quantidades de material do cátodo, depositando-o nas paredes. Com durações de pulso muito curtas, deve-se ter cuidado para garantir que o arco esteja centrado na lâmpada, longe do vidro, evitando a ablação séria da parede. O acionamento externo não é normalmente recomendado para pulsos curtos. O disparo de voltagem em fogo brando é normalmente usado para descargas extremamente rápidas, como são usadas em lasers de corantes, e muitas vezes combinam isto com uma “técnica de pré-pulso”, onde como um pequeno flash é iniciado apenas milissegundos antes do flash principal, para pré-aquecer o gás para um tempo de subida mais rápido.
Lasers de corante às vezes usam “bombeamento axial”, que consiste de uma lanterna oca, em forma anular, com o envelope externo espelhado para refletir a luz adequada de volta para o centro. A célula de tintura é colocada no meio, proporcionando uma distribuição mais uniforme da luz de bombeamento, e uma transferência de energia mais eficiente. A lanterna oca também tem menor indutância do que uma lanterna normal, o que proporciona uma descarga mais curta do flash. Raramente, um design “coaxial” é usado para lasers de corantes, que consiste em uma lanterna normal rodeada por uma célula de corante de forma anular. Isto proporciona melhor eficiência de transferência, eliminando a necessidade de um refletor, mas as perdas por difração causam um ganho menor.
O espectro de saída de uma lanterna é principalmente um produto da sua densidade atual. Após determinar a “energia de explosão” para a duração do impulso, (a quantidade de energia que a destruirá em um a dez flashes), e escolher um nível seguro de energia para a operação, o balanço de voltagem e capacitância pode ser ajustado para centralizar a saída em qualquer lugar desde o infravermelho próximo até o ultravioleta distante. As baixas densidades de corrente resultam do uso de muito alta tensão e baixa corrente. Isto produz linhas espectrais alargadas com a saída centrada no infravermelho próximo, e é melhor para bombear lasers infravermelhos tais como Nd:YAG e érbio:YAG. As densidades de corrente mais altas ampliam as linhas espectrais até o ponto em que elas começam a se misturar e se produz uma emissão contínua. Comprimentos de onda mais longos atingem níveis de saturação com densidades de corrente mais baixas do que comprimentos de onda mais curtos, de modo que à medida que a corrente é aumentada o centro de saída irá deslocar-se em direção ao espectro visual, o que é melhor para bombear lasers de luz visível, como o rubi. Neste ponto, o gás se torna quase um “radiador de todos os cinzas” ideal. Mesmo densidades de corrente mais elevadas irão produzir radiação de corpo negro, centrando a saída no ultravioleta.
Xenon é usado extensivamente devido à sua boa eficiência, embora krypton é frequentemente usado para bombear hastes de laser dopadas com neodímio. Isto acontece porque as linhas espectrais na faixa de quase IIR combinam melhor com as linhas de absorção de neodímio, dando ao krypton uma melhor eficiência de transferência, mesmo que sua potência total de saída seja menor. Isto é especialmente eficaz com o Nd:YAG, que tem um perfil de absorção estreito. Bombeados com krypton, estes lasers podem alcançar até o dobro da potência de saída obtida de xenon. A emissão da linha espectral é geralmente escolhida quando bombeando Nd:YAG com krypton, mas como todas as linhas espectrais de xenon falham as faixas de absorção de Nd:YAG, quando bombeando com xenon a emissão contínua é usada.
Bombeamento com lâmpada de arco voltaicoEdit
Lâmpadas de arco são usadas para bombear hastes que podem suportar operação contínua, e podem ser feitas em qualquer tamanho e potência. As lâmpadas de arco voltaico típicas operam a uma tensão suficientemente alta para manter o certo nível de corrente para o qual a lâmpada foi projetada para operar. Isto está frequentemente na faixa de 10 a 50 amperes. Devido às suas pressões muito altas, as lâmpadas de arco voltaico requerem circuitos especialmente desenhados para o arranque, ou para “golpear” o arco. A greve geralmente ocorre em três fases. Na fase de disparo, um pulso de tensão extremamente alto do transformador de “disparo em série” cria um fluxo de centelha entre os eletrodos, mas a impedância é muito alta para que a tensão principal assuma o controle. Uma fase de “tensão de reforço” é então iniciada, onde uma tensão superior à queda de tensão entre os eletrodos é conduzida através da lâmpada, até que o gás seja aquecido a um estado de plasma. Quando a impedância se torna suficientemente baixa, a fase de “controle de corrente” assume, onde à medida que a tensão principal começa a conduzir a corrente para um nível estável.
Arc lamp pumping takes place in a cavity similar to a flashlamp pumped laser, with a rod e one or more lamps in a reflector cavity. A forma exacta da cavidade depende muitas vezes do número de lâmpadas utilizadas. A principal diferença está no resfriamento. As lâmpadas arco precisam ser resfriadas com água, garantindo que a água seja lavada além do vidro, e também através dos conectores do eletrodo. Isto requer o uso de água desionizada com uma resistividade de pelo menos 200 kilohms, para evitar o curto-circuito e a corrosão dos eléctrodos através da electrólise. A água é tipicamente canalizada através de um tubo de fluxo a uma taxa de 4 a 10 litros por minuto.
Lâmpadas de arco vêm em quase todos os tipos de gases nobres, incluindo xenônio, crípton, argônio, néon e hélio, que emitem linhas espectrais que são muito específicas para o gás. O espectro de saída de uma lâmpada de arco voltaico depende principalmente do tipo de gás, sendo as linhas espectrais de banda estreita muito semelhantes a uma lanterna operada em baixas densidades de corrente. A saída é maior no infravermelho próximo, e são normalmente usados para bombear lasers infravermelhos como Nd:YAG.
Laser pumpingEdit
Um laser de um tipo adequado pode ser usado para bombear outro laser. O espectro estreito do laser de bombeamento permite que ele se ajuste estreitamente às linhas de absorção do meio de bombeamento, dando-lhe uma transferência de energia muito mais eficiente do que a emissão de lanternas de banda larga. Os lasers de diodo bombeiam lasers de estado sólido e lasers de corante líquido. Um design de laser de anel é frequentemente utilizado, especialmente em lasers de corantes. O laser de anel usa três ou mais espelhos para refletir a luz em um caminho circular. Isto ajuda a eliminar a onda de pé gerada pela maioria dos ressonadores Fabry-Pérot, levando a um melhor uso da energia do meio de ganho.
Outros métodos de bombeamento ópticoEditar
Microondas ou radiação EM de radiofrequência podem ser usados para excitar lasers a gás.