Лазерная накачка - Laser pumping
Лазер накачки является акт передачи энергии от внешнего источника в усиливающей среде в виде лазера . Энергия поглощается средой, вызывая возбужденные состояния в ее атомах. Когда количество частиц в одном возбужденном состоянии превышает количество частиц в основном или менее возбужденном состоянии, достигается инверсия населенности . В этом состоянии может иметь место механизм вынужденного излучения, и среда может действовать как лазер или оптический усилитель . Мощность накачки должна быть выше порога генерации лазера.
Энергия накачки обычно предоставляется в виде света или электрического тока , но использовались и более экзотические источники, такие как химические или ядерные реакции .
Оптическая накачка
Насосные полости
Лазер, накачиваемый дуговой лампой или лампой-вспышкой, обычно накачивается через боковую стенку лазерной среды, которая часто имеет форму кристаллического стержня, содержащего металлическую примесь, или стеклянной трубки, содержащей жидкий краситель, в состоянии, известном как "боковая накачка". Чтобы использовать энергию лампы наиболее эффективно, лампы и среда генерации содержатся в отражающей полости, которая перенаправляет большую часть энергии лампы в стержень или красильную ячейку.
В наиболее распространенной конфигурации усиливающая среда представляет собой стержень, расположенный в одном фокусе зеркальной полости, состоящей из эллиптического поперечного сечения, перпендикулярного оси стержня. Фонарик представляет собой трубку, расположенную в другом фокусе эллипса. Часто покрытие зеркала выбирается так, чтобы отражать длины волн , которые короче, чем выходная мощность генерации, при поглощении или передаче длин волн, которые являются такими же или более длинными, чтобы минимизировать тепловое линзирование . В других случаях используется поглотитель для более длинных волн. Часто лампа окружена цилиндрической рубашкой, называемой расходомерной трубкой. Эта расходомерная трубка обычно изготавливается из стекла, которое поглощает волны неподходящей длины, такие как ультрафиолет, или обеспечивает путь для охлаждающей воды, которая поглощает инфракрасное излучение. Часто на рубашку наносят диэлектрическое покрытие, которое отражает свет неподходящей длины волны обратно в лампу. Этот свет поглощается, и часть его переизлучается с подходящими длинами волн. Расходомерная трубка также служит для защиты стержня в случае сильного отказа лампы.
Эллипсы меньшего размера создают меньше отражений (состояние, называемое «тесная связь»), обеспечивая более высокую интенсивность в центре стержня. Для одиночной лампы-вспышки, если лампа и стержень одинакового диаметра, эллипс, который в два раза шире, чем высота, обычно наиболее эффективен для отражения света в стержне. Стержень и лампа относительно длинные, чтобы свести к минимуму влияние потерь на торцах и обеспечить достаточную длину усиливающей среды. Более длинные лампы-вспышки также более эффективны в передаче электрической энергии в свет из-за более высокого импеданса . Однако, если стержень слишком длинный по отношению к его диаметру, может возникнуть состояние, называемое «предварительная лазерная генерация», при котором энергия стержня истощается до того, как он сможет должным образом нарастить. Концы стержней часто имеют просветляющее покрытие или обрезаны под углом Брюстера, чтобы минимизировать этот эффект. Плоские зеркала также часто используются на концах полости насоса для уменьшения потерь.
В вариациях этой конструкции используются более сложные зеркала, состоящие из перекрывающихся эллиптических форм, что позволяет нескольким лампам-вспышкам накачивать один стержень. Это обеспечивает большую мощность, но менее эффективен, потому что не весь свет правильно отображается в стержне, что приводит к увеличению тепловых потерь. Эти потери можно свести к минимуму, используя герметичный резонатор. Однако такой подход может обеспечить более симметричную накачку, повышая качество луча.
Другая конфигурация использует стержень и лампу-вспышку в полости, сделанной из материала диффузного отражения , такого как спектралон или порошкообразный сульфат бария . Эти полости часто имеют круглую или продолговатую форму, поскольку фокусировка света не является основной задачей. Это не так хорошо передает свет в среду, излучающую лазер, поскольку свет делает много отражений, прежде чем достигнет стержня, но часто требует меньшего обслуживания, чем металлизированные отражатели. Повышенное количество отражений компенсируется более высокой отражательной способностью диффузной среды: 99% по сравнению с 97% для золотого зеркала. Этот подход более совместим с неполированными стержнями или несколькими лампами.
Паразитные моды возникают, когда отражения генерируются в направлениях, отличных от длины стержня, которые могут использовать энергию, которая в противном случае была бы доступна лучу. Это может быть особой проблемой, если ствол стержня отполирован. Цилиндрические лазерные стержни поддерживают режимы шепчущей галереи из-за полного внутреннего отражения между стержнем и охлаждающей водой, которые непрерывно отражаются по окружности стержня. Световод режимы могут отражать по всей длине стержня в зигзагообразной траектории. Если стержень имеет просветляющее покрытие или погружен в жидкость, которая соответствует его показателю преломления , это может значительно уменьшить эти паразитные отражения. Аналогичным образом, если ствол стержня имеет грубую шлифовку (матовый) или имеет бороздки, внутренние отражения могут быть рассеяны.
При накачке одной лампой большая часть энергии фокусируется на одной стороне, что ухудшает профиль луча. Обычно стержни имеют матовый корпус, рассеивающий свет и обеспечивающий более равномерное распределение света по стержню. Это обеспечивает большее поглощение энергии в усиливающей среде для лучшей поперечной моды . Матовая расходная трубка или диффузный отражатель, хотя и снижает эффективность переноса, помогает усилить этот эффект, улучшая коэффициент усиления .
Материалы хозяина лазера выбираются так, чтобы они имели низкое поглощение; абсорбирует только легирующая добавка. Следовательно, любой свет на частотах, не поглощаемых легирующим веществом, будет возвращаться в лампу и повторно нагревать плазму, сокращая срок службы лампы.
Лампа накачка
Фонарики были первым источником энергии для лазеров. Они используются для получения высоких импульсных энергий как в твердотельных лазерах, так и в лазерах на красителях. Они излучают широкий спектр света, в результате чего большая часть энергии расходуется в виде тепла в усиливающей среде. Фонарики также имеют короткий срок службы. Первый лазер состоял из спиральной лампы-вспышки, окружающей рубиновый стержень.
Кварцевые лампы-вспышки являются наиболее распространенным типом, используемым в лазерах, и при низких энергиях или высокой частоте следования импульсов могут работать при температурах до 900 ° C. Более высокая средняя мощность или частота повторения требуют водяного охлаждения. Вода обычно должна омывать не только длину дуги лампы, но и электродную часть стекла. Лампы-вспышки с водяным охлаждением обычно производятся со стеклом вокруг электрода, усаженным, чтобы обеспечить прямое охлаждение вольфрама . Если позволить электроду нагреваться намного больше, чем тепловое расширение стекла, уплотнение может треснуть.
Срок службы лампы зависит в первую очередь от энергетического режима, используемого для конкретной лампы. Низкие энергии вызывают распыление , которое может удалить материал с катода и повторно отложить его на стекло, создавая затемненный, зеркальный вид. Продолжительность жизни при низких энергиях может быть довольно непредсказуемой. Высокая энергия вызывает абляцию стенок , которая не только придает стеклу мутный вид, но также ослабляет его структурно и выделяет кислород , влияя на давление, но на этих уровнях энергии продолжительность жизни может быть рассчитана с достаточной точностью.
Продолжительность импульса также может повлиять на срок службы. Очень длинные импульсы могут удалить большое количество материала с катода, осаждая его на стенках. При очень короткой длительности импульса необходимо следить за тем, чтобы дуга находилась в центре лампы, вдали от стекла, что предотвратит серьезную абляцию стен. Внешний запуск обычно не рекомендуется для коротких импульсов. Запуск по постоянному напряжению обычно используется для чрезвычайно быстрых разрядов, как в лазерах на красителях, и часто сочетается с «техникой предимпульса», когда небольшая вспышка инициируется всего за миллисекунды до основной вспышки, чтобы предварительно нагреть газ до более быстрое время нарастания .
Лазеры на красителях иногда используют «осевую накачку», которая состоит из полой лампы-вспышки кольцевой формы с зеркальным отражением внешней оболочки для отражения подходящего света обратно в центр. Ячейка с красителем расположена посередине, что обеспечивает более равномерное распределение света накачки и более эффективную передачу энергии. Полая лампа-вспышка также имеет более низкую индуктивность, чем обычная лампа-вспышка, что обеспечивает более короткий импульсный разряд. В редких случаях для лазеров на красителях используется «коаксиальная» конструкция, которая состоит из обычной лампы-вспышки, окруженной ячейкой с красителем кольцевой формы. Это обеспечивает лучшую эффективность передачи, устраняя необходимость в отражателе, но дифракционные потери вызывают меньшее усиление.
Спектр излучения лампы-вспышки в первую очередь зависит от ее плотности тока . После определения «энергии взрыва» для длительности импульса (количество энергии, которое разрушит его за одну-десять вспышек) и выбора безопасного уровня энергии для работы, баланс напряжения и емкости может быть отрегулирован для центрирования выходного сигнала. от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолета. Низкая плотность тока является результатом использования очень высокого напряжения и низкого тока. Это дает уширенные спектральные линии с выходом, сосредоточенным в ближнем ИК-диапазоне, и лучше всего подходит для накачки инфракрасных лазеров, таких как Nd: YAG и эрбий: YAG . Более высокие плотности тока расширяют спектральные линии до точки, где они начинают смешиваться друг с другом, и возникает непрерывное излучение. Более длинные волны достигают уровней насыщения при более низких плотностях тока, чем более короткие волны, поэтому при увеличении тока выходной центр будет смещаться в сторону видимого спектра, что лучше для накачки лазеров видимого света, таких как рубин . В этот момент газ становится почти идеальным « радиатором серого тела ». Даже более высокие плотности тока будут производить излучение черного тела , центрируя выходное излучение в ультрафиолете.
Ксенон широко используется из-за его хорошей эффективности, хотя криптон часто используется для накачки лазерных стержней, легированных неодимом . Это связано с тем, что спектральные линии в ближнем ИК-диапазоне лучше соответствуют линиям поглощения неодима, что обеспечивает лучшую эффективность переноса криптона, даже если его общая выходная мощность ниже. Это особенно эффективно с Nd: YAG, который имеет узкий профиль поглощения. Эти лазеры, накачанные криптоном, могут достигать выходной мощности, вдвое большей, чем ксенон. Спектральная линия излучения обычно выбирается при накачке Nd: YAG криптоном, но поскольку все спектральные линии ксенона пропускают полосы поглощения Nd: YAG, при накачке ксеноном используется непрерывное излучение.
Накачка дуговых ламп
Дуговые лампы используются для накачки стержней, которые могут поддерживать непрерывную работу, и могут быть любого размера и мощности. Типичные дуговые лампы работают при достаточно высоком напряжении, чтобы поддерживать определенный уровень тока, на который они рассчитаны. Это часто находится в диапазоне от 10 до 50 ампер. Из-за очень высокого давления дуговые лампы требуют специальной схемы для запуска или «зажигания» дуги. Забастовка обычно проходит в три этапа. В фазе запуска чрезвычайно высокий импульс напряжения от «последовательного запускающего» трансформатора создает искровую полосу между электродами, но полное сопротивление слишком велико для того, чтобы основное напряжение могло взять верх. Затем инициируется фаза «повышающего напряжения», когда через лампу пропускается напряжение, превышающее падение напряжения между электродами, до тех пор, пока газ не нагреется до состояния плазмы . Когда полное сопротивление становится достаточно низким, вступает в действие фаза «контроля тока», когда основное напряжение начинает доводить ток до стабильного уровня.
Накачка дуговыми лампами происходит в резонаторе, аналогичном лазеру с ламповой накачкой, со стержнем и одной или несколькими лампами в резонаторе отражателя. Точная форма полости часто зависит от того, сколько ламп используется. Главное отличие в охлаждении. Дуговые лампы необходимо охлаждать водой, чтобы вода не выходила за пределы стекла, а также через разъемы электродов. Это требует использования деионизированной воды с удельным сопротивлением не менее 200 кОм, чтобы избежать короткого замыкания в цепи и коррозии электродов в результате электролиза . Вода обычно проходит через расходомерную трубку со скоростью от 4 до 10 литров в минуту.
Дуговые лампы бывают практически всех типов благородных газов , включая ксенон , криптон , аргон , неон и гелий , все из которых излучают спектральные линии , очень характерные для этого газа. Спектр излучения дуговой лампы в основном зависит от типа газа, так как спектральные линии узкой полосы очень похожи на световую лампу, работающую при низкой плотности тока. Выходная мощность наиболее высока в ближнем инфракрасном диапазоне и обычно используется для накачки инфракрасных лазеров, таких как Nd: YAG.
Внешняя лазерная накачка
Лазер подходящего типа может быть использован для перекачки другого лазера. Узкий спектр лазера накачки позволяет точно согласовать его с линиями поглощения лазерной среды, что обеспечивает гораздо более эффективную передачу энергии, чем широкополосное излучение ламп-вспышек. Диодные лазеры накачивают твердотельные лазеры и лазеры на жидких красителях . Кольцевой лазер конструкции часто используют, особенно в лазеров на красителях. Кольцевой лазер использует три или более зеркала для отражения света по круговой траектории. Это помогает устранить стоячую волну, генерируемую большинством резонаторов Фабри – Перо , что приводит к лучшему использованию энергии усиливающей среды.
Другие методы оптической накачки
Для возбуждения газовых лазеров можно использовать микроволны или радиочастотное электромагнитное излучение.
В лазере с солнечной накачкой в качестве источника накачки используется солнечное излучение .
Электрическая накачка
Электрический тлеющий разряд - обычное дело в газовых лазерах . Например, в гелий-неоновом лазере электроны разряда сталкиваются с атомами гелия , возбуждая их. Затем возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона , передавая энергию. Это позволяет наращивать инверсную населенность атомов неона.
Электрический ток обычно используется для накачки лазерных диодов и лазеров на кристаллах полупроводников (например, германия).
Электронные пучки накачивают лазеры на свободных электронах и некоторые эксимерные лазеры .
Газодинамическая откачка
Газодинамические лазеры построены с использованием сверхзвукового потока газов, таких как углекислый газ , для возбуждения молекул за порог. Газ сжимается и затем нагревается до 1400 кельвинов . Затем газу дают возможность быстро расшириться через сопла специальной формы до очень низкого давления. Это расширение происходит со сверхзвуковой скоростью, иногда достигающей 4 махов . В горячем газе много молекул находится в верхних возбужденных состояниях, а гораздо больше - в нижних. Быстрое расширение вызывает адиабатическое охлаждение , которое снижает температуру до 300 К. Это снижение температуры заставляет молекулы в верхнем и нижнем состояниях ослаблять свое равновесие до значения, более подходящего для более низкой температуры. Однако молекулы в нижних состояниях релаксируют очень быстро, в то время как молекулам верхнего состояния требуется гораздо больше времени для релаксации. Поскольку большое количество молекул остается в верхнем состоянии, создается инверсия населенностей, которая часто распространяется на значительное расстояние ниже по потоку. Выходные мощности непрерывных волн до 100 киловатт были получены от динамических лазеров на диоксиде углерода.
Подобные методы сверхзвукового расширения используются для адиабатического охлаждения лазеров на оксиде углерода , которые затем накачиваются посредством химической реакции, электрической или радиочастотной накачки. Адиабатическое охлаждение заменяет громоздкое и дорогостоящее криогенное охлаждение жидким азотом, повышая эффективность лазера на оксиде углерода. Лазеры этого типа могут производить мощность до гигаватта с эффективностью до 60%.
Другие типы
Самоканалирование смещения заряда может привести к высокой концентрации энергии вдоль столба, создаваемой и поддерживаемой пондеромоторным вытеснением электронов. Канал также будет излучать вторичное излучение с более короткой длиной волны и, в конечном итоге, генерировать генерацию с очень короткой длиной волны.
Химическая реакция используется в качестве источника энергии в химических лазерах . Это позволяет получить очень высокую выходную мощность, которую трудно достичь другими способами.
Ядерное деление используется в экзотических лазерах с ядерной накачкой (NPL), напрямую используя энергию быстрых нейтронов, высвобождаемых в ядерном реакторе .
Военные Соединенных Штатов испытали рентгеновский лазер с накачкой от ядерного оружия в 1980-х годах, но результаты испытаний не были окончательными, и они больше не повторялись.