PumphålorEdit
En laser som pumpas med en båglampa eller en blixtlampa pumpas vanligen genom lasermediets sidovägg, som ofta är i form av en kristallstav som innehåller en metallisk förorening eller ett glasrör som innehåller ett flytande färgämne, i ett tillstånd som kallas ”sidopumpning”. För att utnyttja lampans energi så effektivt som möjligt, ingår lamporna och lasermediet i en reflekterande kavitet som omdirigerar det mesta av lampans energi in i staven eller färgämnescellen.
I den vanligaste konfigurationen har förstärkningsmediet formen av en stav som är placerad i ena fokuset av en speglad kavitet, bestående av ett elliptiskt tvärsnitt vinkelrätt mot stavens axel. Blixtlampan är ett rör som är placerat i ellipsens andra fokus. Ofta väljs spegelns beläggning så att den reflekterar våglängder som är kortare än laserutgången samtidigt som den absorberar eller släpper igenom våglängder som är lika långa eller längre, för att minimera termisk linsbildning. I andra fall används en absorbator för de längre våglängderna. Ofta omges lampan av ett cylindriskt hölje som kallas flödesrör. Detta flödesrör är vanligtvis tillverkat av ett glas som absorberar olämpliga våglängder, t.ex. ultraviolett, eller som ger en väg för kylvatten som absorberar infrarött. Ofta är manteln försedd med en dielektrisk beläggning som reflekterar olämpliga våglängder av ljuset tillbaka in i lampan. Detta ljus absorberas och en del av det återutsänds i lämpliga våglängder. Flödesröret tjänar också till att skydda staven i händelse av ett våldsamt lampfel.
Mindre ellipser skapar färre reflektioner, (ett tillstånd som kallas ”close-coupling”), vilket ger högre intensitet i mitten av staven. För en enda ficklampa, om lampan och staven har samma diameter, är en ellips som är dubbelt så bred som den är hög vanligtvis den mest effektiva för att avbilda ljuset i staven. Staven och lampan är relativt långa för att minimera effekten av förluster vid ändytorna och för att ge en tillräcklig längd på förstärkningsmediet. Längre blixtlampor är också effektivare när det gäller att överföra elektrisk energi till ljus, på grund av högre impedans. Om staven är för lång i förhållande till sin diameter kan dock ett tillstånd som kallas ”prelasing” uppstå, vilket förbrukar stavens energi innan den kan byggas upp ordentligt. Stavändarna är ofta antireflexbehandlade eller kapade i Brewsters vinkel för att minimera denna effekt. Platta speglar används också ofta i slutet av pumphålan för att minska förlusterna.
Variationer av denna konstruktion använder mer komplexa speglar som består av överlappande elliptiska former, för att möjliggöra att flera blixtlampor kan pumpa en enda stav. Detta ger större effekt, men är mindre effektivt eftersom allt ljus inte avbildas korrekt i staven, vilket leder till ökade värmeförluster. Dessa förluster kan minimeras genom att använda en nära kopplad kavitet. Detta tillvägagångssätt kan möjliggöra mer symmetrisk pumpning, vilket dock ökar strålkvaliteten.
En annan konfiguration använder en stav och en blixtlampa i en kavitet gjord av ett diffust reflekterande material, t.ex. spektralon eller pulveriserat bariumsulfat. Dessa hålrum är ofta cirkulära eller avlånga, eftersom fokusering av ljuset inte är ett primärt mål. Detta kopplar inte ljuset lika bra till lasermediet, eftersom ljuset gör många reflektioner innan det når staven, men kräver ofta mindre underhåll än metalliserade reflektorer. Det ökade antalet reflektioner kompenseras av det diffusa mediets högre reflektionsförmåga: 99 % jämfört med 97 % för en guldspegel. Detta tillvägagångssätt är mer kompatibelt med opolerade stavar eller flera lampor.
Parasitära lägen uppstår när reflektioner genereras i andra riktningar än längs stavens längd, vilket kan förbruka energi som annars skulle vara tillgänglig för strålen. Detta kan vara ett särskilt problem om stavens pipa är polerad. Cylindriska laserstavar stöder whispering gallery modes på grund av total intern reflektion mellan staven och kylvattnet, som reflekteras kontinuerligt runt stavens omkrets. Ljusrörsformer kan reflekteras längs stavens längd i en sicksackbana. Om staven har en antireflektionsbeläggning eller om den är nedsänkt i en vätska som matchar stavens brytningsindex kan den dramatiskt minska dessa parasitära reflektioner. Om stavens pipa är grov slipad (frostat) eller räfflad kan de interna reflektionerna också skingras.
Pumpning med en enda lampa tenderar att fokusera det mesta av energin på en sida, vilket försämrar strålprofilen. Det är vanligt att stavar har ett frostat fat, för att sprida ljuset, vilket ger en jämnare fördelning av ljuset i hela staven. Detta gör det möjligt att absorbera mer energi i hela förstärkningsmediet, vilket ger ett bättre tvärgående läge. Ett frostat flödesrör eller en diffus reflektor leder visserligen till lägre överföringseffektivitet, men bidrar till att öka denna effekt, vilket förbättrar förstärkningen.
Laservärdmaterial väljs så att de har en låg absorption; endast dopningsmedlet absorberar. Därför kommer allt ljus vid frekvenser som inte absorberas av dopningen att gå tillbaka in i lampan och återuppvärma plasman, vilket förkortar lampans livslängd.
Pumning av ficklamporRedigera
Blixtlampor var den tidigaste energikällan för lasrar. De används för höga pulsade energier i både halvledar- och färgämneslasrar. De producerar ett brett spektrum av ljus, vilket gör att det mesta av energin slösas bort som värme i förstärkningsmediet. Ficklampor tenderar också att ha en kort livslängd. Den första lasern bestod av en spiralformad blixtlampa som omgav en rubinstav.
Blixtlampor av kvarts är den vanligaste typen som används i lasrar, och vid låga energier eller höga repetitionsfrekvenser kan de fungera vid temperaturer så höga som 900 °C. Högre medeleffekter eller repetitionsfrekvenser kräver vattenkylning. Vattnet måste vanligtvis skölja över inte bara lampans båglängd utan även över glasets elektroddel. Vattenkylda blixtlampor tillverkas vanligen med glaset krympt runt elektroden för att möjliggöra direkt kylning av volframen. Om elektroden tillåts värmas mycket mer än glaset kan den termiska expansionen spräcka förseglingen.
Lampans livslängd beror i första hand på den energiregim som används för den aktuella lampan. Låga energier ger upphov till sputter, vilket kan ta bort material från katoden och återplacera det på glaset, vilket skapar ett mörkt, speglat utseende. Livslängden vid låga energier kan vara ganska oförutsägbar. Höga energier orsakar väggablation, vilket inte bara ger glaset ett grumligt utseende, utan också försvagar det strukturellt och frigör syre, vilket påverkar trycket, men vid dessa energinivåer kan den förväntade livslängden beräknas med ganska stor noggrannhet.
Pulsens varaktighet kan också påverka livslängden. Mycket långa pulser kan avlägsna stora mängder material från katoden och deponera det på väggarna. Med mycket korta pulsdurationer måste man se till att ljusbågen är centrerad i lampan, långt borta från glaset, vilket förhindrar allvarlig väggablation. Extern utlösning rekommenderas vanligtvis inte för korta pulser. Simmerspänningsutlösning används vanligen för extremt snabba urladdningar, som används i färgämneslasrar, och ofta kombineras detta med en ”förpulsteknik”, där en liten blixt initieras bara millisekunder före huvudblixten, för att förvärma gasen så att den får en snabbare stigningstid.
Färgämneslasrar använder sig ibland av ”axiell pumpning”, som består av en ihålig, ringformad blixtlampa, där det yttre höljet är spegelvänt för att reflektera lämpligt ljus tillbaka till centrum. Färgämnescellen är placerad i mitten, vilket ger en jämnare fördelning av pumpljuset och en effektivare energiöverföring. Den ihåliga ficklampan har också lägre induktans än en vanlig ficklampa, vilket ger en kortare blixturladdning. I sällsynta fall används en ”koaxial” konstruktion för färgämneslasrar, som består av en normal blixtlampa omgiven av en ringformad färgämnescell. Detta ger bättre överföringseffektivitet och eliminerar behovet av en reflektor, men diffraktionsförluster orsakar en lägre förstärkning.
Utgångsspektrumet för en blixtlampa är i första hand en produkt av dess strömtäthet. Efter att ha bestämt ”explosionsenergin” för pulslängden (den energimängd som förstör den på en till tio blixtar) och valt en säker energinivå för driften kan balansen mellan spänning och kapacitans justeras för att centrera utgången var som helst från det nära infraröda till det långt ultravioletta området. Låg strömtäthet är ett resultat av användningen av mycket hög spänning och låg ström. Detta ger breddade spektrallinjer med utgång centrerad i det nära infraröda området och är bäst för pumpning av infraröda lasrar som Nd:YAG och erbium:YAG. Högre strömtätheter breddar spektrallinjerna till den punkt där de börjar smälta samman och kontinuumemission produceras. Längre våglängder når mättnadsnivåer vid lägre strömtätheter än kortare våglängder, så när strömmen ökas kommer utgångscentret att förskjutas mot det visuella spektrumet, vilket är bättre för pumpning av lasrar för synligt ljus, t.ex. rubin. Vid denna punkt blir gasen nästan en idealisk ”greybody radiator”. Även högre strömtätheter kommer att producera svartkroppsstrålning, vilket centrerar utgången i det ultravioletta spektrumet.
Xenon används i stor utsträckning på grund av dess goda verkningsgrad, även om krypton ofta används för att pumpa neodymdopade laserstavar. Detta beror på att spektrallinjerna i det nära infraröda området bättre stämmer överens med neodymets absorptionslinjer, vilket ger krypton en bättre överföringseffektivitet även om dess totala uteffekt är lägre. Detta är särskilt effektivt med Nd:YAG, som har en smal absorptionsprofil. Pumpade med krypton kan dessa lasrar uppnå upp till dubbelt så hög utgångseffekt som xenon. Spektrallinjeemission väljs vanligtvis när Nd:YAG pumpas med krypton, men eftersom alla xenons spektrallinjer missar Nd:YAG:s absorptionsband används kontinuumemissionen när man pumpar med xenon.
Arc lampumpingEdit
Arklampor används för pumpstänger som klarar kontinuerlig drift och kan tillverkas i valfri storlek och effekt. Typiska båglampor arbetar vid en spänning som är tillräckligt hög för att upprätthålla den vissa strömnivå som lampan är konstruerad för att fungera. Denna ligger ofta i intervallet 10 till 50 ampere. På grund av det mycket höga trycket kräver ljusbågslampor speciellt konstruerade kretsar för att starta eller ”slå ut” ljusbågen. Det sker vanligen i tre faser. I utlösningsfasen skapar en extremt hög spänningspuls från transformatorn för ”serieutlösning” en gnistström mellan elektroderna, men impedansen är för hög för att huvudspänningen ska kunna ta över. Därefter inleds en ”boostspänningsfas” där en spänning som är högre än spänningsfallet mellan elektroderna drivs genom lampan tills gasen värms upp till ett plasmatillstånd. När impedansen blir tillräckligt låg tar ”strömstyrningsfasen” över, där huvudspänningen börjar driva strömmen till en stabil nivå.
Arklampspumpning sker i en kavitet som liknar en blixtlampspumpad laser, med en stav och en eller flera lampor i en reflektorkavitet. Den exakta formen på kaviteten är ofta beroende av hur många lampor som används. Den största skillnaden ligger i kylningen. Båglampor måste kylas med vatten och se till att vattnet sköljs bortom glaset och även över elektrodkontakterna. Detta kräver att man använder avjoniserat vatten med en resistivitet på minst 200 kilohms, för att inte kortsluta kretsen och korrodera elektroderna genom elektrolys. Vattnet leds vanligtvis genom ett flödesrör med en hastighet av 4 till 10 liter per minut.
Borstlampor finns i nästan alla ädelgastyper, inklusive xenon, krypton, argon, neon och helium, som alla avger spektrallinjer som är mycket specifika för gasen. Utgångsspektrumet för en ljusbågslampa är mestadels beroende av gastypen och är smalbandiga spektrallinjer som mycket liknar en ficklampa som drivs vid låga strömtätheter. Utsignalen är högst i det nära infraröda, och används vanligen för att pumpa infraröda lasrar som Nd:YAG.
Extern laserpumpningRedigera
En laser av lämplig typ kan användas för att pumpa en annan laser. Pumplaserns smala spektrum gör att den kan anpassas nära absorptionslinjerna i lasermediet, vilket ger en mycket effektivare energiöverföring än flashlampornas bredbandiga emission. Diodlasrar pumpar fastämneslasrar och lasrar för flytande färgämnen. En ringlaserkonstruktion används ofta, särskilt i färgämneslasrar. Ringlasern använder tre eller flera speglar för att reflektera ljuset i en cirkulär bana. Detta bidrar till att eliminera den stående våg som genereras av de flesta Fabry-Pérot-resonatorer, vilket leder till en bättre användning av förstärkningsmediets energi.
Andra optiska pumpmetoderRedigera
Mikrovågor eller radiofrekvent EM-strålning kan användas för att excitera gaslasrar.