Cavități de pompareEdit
Un laser pompat cu o lampă cu arc sau o lampă flash este de obicei pompat prin peretele lateral al mediului laser, care este adesea sub forma unei tije de cristal care conține o impuritate metalică sau a unui tub de sticlă care conține un colorant lichid, într-o condiție cunoscută sub numele de „pompare laterală”. Pentru a utiliza cât mai eficient energia lămpii, lămpile și mediul de lasere sunt conținute într-o cavitate reflectorizantă care va redirecționa cea mai mare parte a energiei lămpii în tija sau în celula de colorant.
În cea mai comună configurație, mediul de câștig este sub forma unei tije situate la un focar al unei cavități în oglindă, constând dintr-o secțiune transversală eliptică perpendiculară pe axa tijei. Lanterna este un tub situat la celălalt focar al elipsei. De multe ori, stratul de acoperire al oglinzii este ales pentru a reflecta lungimi de undă mai scurte decât cea de ieșire a laserului, absorbind sau transmițând în același timp lungimi de undă identice sau mai mari, pentru a minimiza efectul de lentilă termică. În alte cazuri, se utilizează un absorbant pentru lungimile de undă mai mari. Adesea, lampa este înconjurată de un înveliș cilindric numit tub de curgere. Acest tub de curgere este, de obicei, fabricat dintr-o sticlă care absoarbe lungimile de undă nepotrivite, cum ar fi ultravioletele, sau care asigură o cale pentru apa de răcire care absoarbe infraroșu. Adesea, învelișul este acoperit cu un strat dielectric care reflectă lungimile de undă nepotrivite ale luminii înapoi în lampă. Această lumină este absorbită și o parte din ea este reemisă la lungimi de undă adecvate. Tubul de curgere servește, de asemenea, la protejarea tijei în cazul unei defecțiuni violente a lămpii.
Elipsele mai mici creează mai puține reflexii, (o condiție numită „close-coupling”), oferind o intensitate mai mare în centrul tijei. Pentru o singură lampă cu bliț, dacă lampa și tija au diametrul egal, o elipsă care este de două ori mai lată decât înaltă este, de obicei, cea mai eficientă pentru a reda lumina în tijă. Tija și lampa sunt relativ lungi pentru a minimiza efectul pierderilor la capetele frontale și pentru a asigura o lungime suficientă de mediu de câștig. Lămpile mai lungi sunt, de asemenea, mai eficiente la transferul energiei electrice în lumină, datorită impedanței mai mari. Cu toate acestea, în cazul în care tija este prea lungă în raport cu diametrul său, poate apărea o condiție numită „prelasare”, epuizând energia tijei înainte ca aceasta să se poată acumula în mod corespunzător. Capetele tijei sunt adesea acoperite cu un strat antireflexie sau tăiate la unghiul lui Brewster pentru a minimiza acest efect. De asemenea, se folosesc adesea oglinzi plate la capetele cavității de pompare pentru a reduce pierderile.
Variații ale acestui proiect folosesc oglinzi mai complexe, compuse din forme eliptice suprapuse, pentru a permite ca mai multe lanterne să pompeze o singură tijă. Acest lucru permite o putere mai mare, dar sunt mai puțin eficiente deoarece nu toată lumina este imaginată corect în tijă, ceea ce duce la creșterea pierderilor termice. Aceste pierderi pot fi reduse la minimum prin utilizarea unei cavități cu cuplaj apropiat. Totuși, această abordare poate permite o pompare mai simetrică, crescând calitatea fasciculului.
O altă configurație folosește o tijă și o lampă flash într-o cavitate realizată dintr-un material cu reflexie difuză, cum ar fi spectralonul sau sulfatul de bariu pulverizat. Aceste cavități sunt adesea circulare sau alungite, deoarece focalizarea luminii nu este un obiectiv principal. Acest lucru nu cuplează lumina la fel de bine în mediul de lasere, deoarece lumina face multe reflexii înainte de a ajunge la tijă, dar adesea necesită mai puțină întreținere decât reflectoarele metalizate. Numărul crescut de reflexii este compensat de reflectivitatea mai mare a mediului difuz: 99%, față de 97% pentru o oglindă aurită. Această abordare este mai compatibilă cu tijele neșlefuite sau cu lămpile multiple.
Modelele parazite apar atunci când sunt generate reflexii în alte direcții decât pe lungimea tijei, ceea ce poate consuma energia care altfel ar fi disponibilă pentru fascicul. Aceasta poate fi o problemă deosebită dacă țeava tijei este lustruită. Tijele laser cilindrice suportă moduri de galerie șoptitoare din cauza reflexiei interne totale între tijă și apa de răcire, care se reflectă continuu în jurul circumferinței tijei. Modurile de conducte de lumină se pot reflecta pe lungimea tijei într-o traiectorie în zig-zag. În cazul în care tija are un strat antireflexie sau este scufundată într-un fluid care se potrivește cu indicele său de refracție, aceasta poate reduce dramatic aceste reflexii parazite. De asemenea, dacă țeava tijei este șlefuită (mată) sau canelată, reflexiile interne pot fi dispersate.
Pomparea cu o singură lampă tinde să concentreze cea mai mare parte a energiei pe o singură parte, înrăutățind profilul fasciculului. Este obișnuit ca tijele să aibă o țeavă mată, pentru a difuza lumina, asigurând o distribuție mai uniformă a luminii în toată tija. Acest lucru permite o mai mare absorbție a energiei în tot mediul de câștig pentru un mod transversal mai bun. Un tub de curgere mat sau un reflector difuz, deși duce la scăderea eficienței de transfer, ajută la creșterea acestui efect, îmbunătățind câștigul.
Materialele gazdă ale laserului sunt alese pentru a avea o absorbție scăzută; doar dopajul absoarbe. Prin urmare, orice lumină la frecvențe care nu este absorbită de dopant se va întoarce în lampă și va reîncălzi plasma, scurtând durata de viață a lămpii.
Pompare cu lampă flashEdit
Lămpi cu bliț au fost cea mai veche sursă de energie pentru lasere. Ele sunt utilizate pentru energii pulsate mari atât în laserele cu stare solidă, cât și în cele cu coloranți. Ele produc un spectru larg de lumină, ceea ce face ca cea mai mare parte a energiei să fie irosită sub formă de căldură în mediul de câștig. De asemenea, lămpile cu bliț tind să aibă o durată de viață scurtă. Primul laser a constat dintr-o lampă flash elicoidală care înconjoară o tijă de rubin.
Lămpi flash de cuarț sunt cel mai frecvent utilizate în lasere și, la energii mici sau la rate de repetiție mari, pot funcționa la temperaturi de până la 900 °C. Puteri medii mai mari sau rate de repetiție mai mari necesită răcire cu apă. De obicei, apa trebuie să se spele nu numai pe toată lungimea arcului lămpii, ci și pe porțiunea de electrod din sticlă. Lămpile cu lanternă răcite cu apă sunt de obicei fabricate cu sticla micșorată în jurul electrodului pentru a permite răcirea directă a tungstenului. Dacă electrodului i se permite să se încălzească mult mai mult decât sticla, dilatarea termică poate fisura garnitura.
Viața lămpii depinde în primul rând de regimul energetic utilizat pentru respectiva lampă. Energiile joase dau naștere la pulverizare, care poate îndepărta materialul din catod și îl poate redepune pe sticlă, creând un aspect întunecat și oglindit. Speranța de viață la energii joase poate fi destul de imprevizibilă. Energiile înalte provoacă ablația pereților, care nu numai că dă sticlei un aspect tulbure, dar o slăbește structural și eliberează oxigen, afectând presiunea, dar la aceste niveluri de energie speranța de viață poate fi calculată cu destulă precizie.
Durata impulsului poate afecta, de asemenea, durata de viață. Impulsurile foarte lungi pot desprinde cantități mari de material din catod, depunându-l pe pereți. Cu durate foarte scurte ale impulsurilor, trebuie să se aibă grijă ca arcul să fie centrat în lampă, departe de sticlă, prevenind ablația gravă a pereților. Declanșarea externă nu este de obicei recomandată pentru impulsuri scurte. Declanșarea cu tensiune de fierbere este de obicei folosită pentru descărcări extrem de rapide, așa cum sunt folosite în laserele cu coloranți, și adesea se combină cu o „tehnică de preimpuls”, în care un mic flash este inițiat cu doar câteva milisecunde înainte de flashul principal, pentru a preîncălzi gazul pentru un timp de creștere mai rapid.
Laserele cu coloranți folosesc uneori „pomparea axială”, care constă într-o lampă flash goală, de formă inelară, cu învelișul exterior reflectat în oglindă pentru a reflecta lumina adecvată înapoi în centru. Celula de colorant este plasată în mijloc, asigurând o distribuție mai uniformă a luminii de pompare și un transfer mai eficient de energie. De asemenea, lampa flash goală are o inductanță mai mică decât o lampă flash normală, ceea ce asigură o descărcare flash mai scurtă. Rareori, pentru laserele cu colorant se utilizează un design „coaxial”, care constă într-o lampă flash normală înconjurată de o celulă de colorant de formă inelară. Acest lucru asigură o eficiență de transfer mai bună, eliminând necesitatea unui reflector, dar pierderile prin difracție determină un câștig mai mic.
Spectrul de ieșire al unei lămpi cu bliț este în primul rând un produs al densității sale de curent. După ce se determină „energia de explozie” pentru durata impulsului, (cantitatea de energie care îl va distruge în una până la zece sclipiri) și se alege un nivel de energie sigur pentru funcționare, echilibrul dintre tensiune și capacitate poate fi ajustat pentru a centra ieșirea oriunde, de la infraroșu apropiat la ultraviolet îndepărtat. Densitățile de curent scăzute rezultă din utilizarea unei tensiuni foarte mari și a unui curent redus. Acest lucru produce linii spectrale lărgite cu ieșirea centrată în infraroșul apropiat și este cel mai bun pentru pomparea laserelor în infraroșu, cum ar fi Nd:YAG și erbiu:YAG. Densitățile de curent mai mari lărgesc liniile spectrale până la punctul în care acestea încep să se amestece și se produce o emisie de continuum. Lungimile de undă mai lungi ating niveluri de saturație la densități de curent mai mici decât lungimile de undă mai scurte, astfel încât, pe măsură ce curentul este mărit, centrul de ieșire se va deplasa spre spectrul vizual, ceea ce este mai bine pentru pomparea laserelor cu lumină vizibilă, cum ar fi rubinul. În acest punct, gazul devine aproape un „radiator de corp cenușiu” ideal. Chiar și densități de curent mai mari vor produce radiații de corp negru, centrând ieșirea în ultraviolet.
Xenonul este utilizat pe scară largă datorită eficienței sale bune, deși kriptonul este adesea utilizat pentru pomparea tijelor laser dopate cu neodim. Acest lucru se datorează faptului că liniile spectrale din domeniul infraroșu apropiat se potrivesc mai bine cu liniile de absorbție ale neodimului, ceea ce conferă kriptonului o eficiență de transfer mai bună, chiar dacă puterea sa de ieșire globală este mai mică. Acest lucru este deosebit de eficient cu Nd:YAG, care are un profil de absorbție îngust. Pompate cu kripton, aceste lasere pot atinge o putere de ieșire de până la două ori mai mare decât cea care poate fi obținută cu xenon. Emisia liniilor spectrale este de obicei aleasă atunci când se pompează Nd:YAG cu kripton, dar deoarece toate liniile spectrale ale xenonului ratează benzile de absorbție ale Nd:YAG, atunci când se pompează cu xenon se folosește emisia de continuum.
Pomparea cu lampă cu arc electricEdit
Lămpile cu arc sunt folosite pentru tije de pompare care pot suporta o funcționare continuă și pot fi realizate de orice dimensiune și putere. Lămpile cu arc tipice funcționează la o tensiune suficient de mare pentru a menține un anumit nivel de curent pentru care lampa a fost proiectată să funcționeze. Acesta este adesea cuprins între 10 și 50 de amperi. Din cauza presiunilor foarte ridicate, lămpile cu arc electric necesită circuite special concepute pentru pornirea sau „aprinderea” arcului electric. Lovirea are loc, de obicei, în trei faze. În faza de declanșare, un impuls de tensiune extrem de mare de la transformatorul de „declanșare în serie” creează un flux de scântei între electrozi, dar impedanța este prea mare pentru ca tensiunea principală să preia controlul. Se inițiază apoi o fază de „tensiune de amplificare”, în care o tensiune mai mare decât căderea de tensiune dintre electrozi este condusă prin lampă, până când gazul este încălzit până la starea de plasmă. Când impedanța devine suficient de scăzută, preia faza de „control al curentului”, în care tensiunea principală începe să conducă curentul la un nivel stabil.
Pomparea cu lampă cu arc are loc într-o cavitate similară cu cea a unui laser pompat cu lampă flash, cu o tijă și una sau mai multe lămpi într-o cavitate cu reflector. Forma exactă a cavității este adesea dependentă de numărul de lămpi utilizate. Principala diferență este în ceea ce privește răcirea. Lămpile cu arc trebuie să fie răcite cu apă, asigurându-se că apa se spală dincolo de sticlă și, de asemenea, peste conectorii electrozilor. Acest lucru necesită utilizarea apei deionizate cu o rezistivitate de cel puțin 200 kilohms, pentru a nu scurtcircuita circuitul și a nu coroda electrozii prin electroliză. De obicei, apa este canalizată printr-un tub de curgere la un debit de 4 până la 10 litri pe minut.
Lămpile cu arc sunt disponibile în aproape toate tipurile de gaze nobile, inclusiv xenon, kripton, argon, neon și heliu, care emit toate linii spectrale foarte specifice gazului. Spectrul de ieșire al unei lămpi cu arc depinde în cea mai mare parte de tipul de gaz, fiind linii spectrale de bandă îngustă foarte asemănătoare cu cele ale unei lămpi cu bliț care funcționează la densități mici de curent. Puterea de ieșire este cea mai mare în infraroșu apropiat și sunt de obicei folosite pentru a pompa lasere în infraroșu, cum ar fi Nd:YAG.
Pompare laser externEdit
Un laser de un tip adecvat poate fi folosit pentru a pompa un alt laser. Spectrul îngust al laserului de pompare îi permite să se potrivească îndeaproape cu liniile de absorbție ale mediului de lasere, ceea ce îi conferă un transfer de energie mult mai eficient decât emisia în bandă largă a lămpilor cu bliț. Laserele cu diode pompează laserele cu stare solidă și laserele cu coloranți lichizi. În special în cazul laserelor cu coloranți, se utilizează adesea un design de laser în inel. Laserul inelar utilizează trei sau mai multe oglinzi pentru a reflecta lumina pe o traiectorie circulară. Acest lucru ajută la eliminarea undei staționare generate de majoritatea rezonatoarelor Fabry-Pérot, ceea ce duce la o mai bună utilizare a energiei mediului de câștig.
Alte metode optice de pompareEdit
Microundele sau radiațiile EM de radiofrecvență pot fi folosite pentru a excita laserele cu gaz.