Войти
Рубиновая лазерная головка. На фото слева изображена головка в разобранном виде, видна полость откачки, шток и фонари. На фотографии справа показана головка в сборе. Накачка лазера - это акт передачи энергии от внешнего источника в усиливающую среду лазера . Энергия поглощается средой, создавая возбужденные состояния в ее атомах. Когда количество частиц в одном возбужденном состоянии превышает количество частиц в основном состоянии или менее возбужденном состоянии, достигается инверсия населенности. В этом состоянии может иметь место механизм стимулированного излучения, и среда может действовать как лазер или оптический усилитель. Мощность накачки должна быть выше порога генерации лазера.
Энергия накачки обычно обеспечивается в виде света или электрического тока, но используются более экзотические источники, такие как химические или ядерные реакции..
Лазер с накачкой дуговой лампой или лампа-вспышка обычно прокачивается 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 ". Для наиболее эффективного использования энергии лампы лампы и среда генерации содержатся в отражающей полости, которая перенаправляет большую часть энергии лампы в стержень или ячейку с красителем.
Различные конфигурации резонатора лазерной накачки. В наиболее распространенной конфигурации усиливающая среда имеет форму стержня, расположенного в одном фокусе зеркального резонатора, состоящего из эллиптического поперечного сечения перпендикулярно оси стержня. Фонарик представляет собой трубку, расположенную в другом фокусе эллипса. Часто покрытие зеркала выбирается таким образом, чтобы отражать длины волн, которые короче, чем выходная мощность генерации, при поглощении или передаче длин волн, равных или длиннее, для минимизации. 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 неподходящих длин волн 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 минимизировать влияние потерь на торцах и обеспечить достаточную длину усиливающей среды. Более длинные лампы-вспышки также более эффективны при преобразовании электрической энергии в свет из-за более высокого импеданса. Однако, если стержень слишком длинный по отношению к его диаметру, может произойти состояние, называемое «предварительная 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 различных вариантах 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, поскольку не весь свет правильно отображается в стержне, что приводит к увеличению тепловых потерь. Эти потери можно свести к минимуму, используя герметичный резонатор. Однако этот подход может обеспечить более симметричную накачку, повышая качество луча.
В другой конфигурации используется стержень и лампа-вспышка в резонаторе, сделанном из материала с диффузным отражением, например, Spectralon или порошкообразный сульфат бария. Эти полости часто имеют круглую или продолговатую форму, поскольку фокусировка света не является основной задачей. Это не так хорошо направляет 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 режимы 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. Световая труба может отражаться по длине стержня зигзагообразно. 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.
Накачка одной лампой имеет тенденцию фокусировать большую часть энергии на одной стороне, что ухудшает профиль луча. Обычно стержни имеют матовый корпус для рассеивания света, обеспечивая 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 приводят к снижению эффективности переноса, помогают увеличить этот эффект, улучшая коэффициент усиления ..
Материалы основы лазера выбраны так, чтобы они имели низкое поглощение; абсорбирует только легирующая добавка. Следовательно, любой свет на частотах, не поглощаемых легированием, будет возвращаться в лампу и повторно нагревать плазму, сокращая срок службы лампы.
Лазерные лампы накачки. Три верхних - ксеноновые лампы-вспышки, а нижняя - криптоновая дуговая лампа 
В этом чрезвычайно быстром разряде использовалось внешнее срабатывание. Из-за очень высокой скорости (3,5 микросекунды) ток не только не может полностью нагреть ксенон и заполнить трубку, но и находится в прямом контакте со стеклом. 
Спектральные выходы для импульсных ламп, использующих различные газы, при плотности тока, приближающейся к плотности излучения серого тела. Фотовспышки были первыми источниками 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, окружавшей 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 с усадкой стекла вокруг электрода, чтобы обеспечить прямое охлаждение вольфрама. Если позволить электроду нагреваться намного больше, чем стекло тепловое расширение может привести к растрескиванию уплотнения.
Срок службы лампы зависит в первую очередь от энергетического режима, используемого для конкретной лампы. Низкие энергии вызывают распыление, которое может удалять материал с катода и повторно осаждать его на стекле, создавая затемненный, зеркальный вид. Продолжительность жизни при низких энергиях может быть довольно непредсказуемой. Высокая энергия вызывает абляцию стенки , что 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 меньше. рассчитано с достаточной точностью.
Длительность импульса также может влиять на срок службы. Очень длинные импульсы могут удалить большое количество материала с катода, осаждая его на стенках. При очень коротких импульсах необходимо следить за тем, чтобы дуга находилась в центре лампы, вдали от стекла, что предотвращает серьезную абляцию стенок. Внешний запуск обычно не рекомендуется для коротких импульсов. Запуск по напряжению медленного режима обычно используется для очень быстрых разрядов, как в лазерах на красителях, и часто сочетается с «техникой предимпульса», когда небольшая вспышка инициируется всего за миллисекунды до основной вспышки, чтобы предварительный нагрев газа для более быстрого времени 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 для красителя кольцевой формы. Это обеспечивает лучшую эффективность передачи, устраняя необходимость в отражателе, но дифракционные потери вызывают меньшее усиление.
Выходной спектр лампы-вспышки в первую очередь является произведением 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 можно отрегулировать для центрирования выходного сигнала. в любом месте 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 излучение континуум. Более длинные волны достигают уровней насыщения при более низких плотностях тока, чем более короткие длины волн, поэтому при увеличении тока выходной центр смещается в сторону видимого спектра, что лучше для накачки лазеров видимого света, таких как рубин. В этот момент газ становится почти идеальным ». 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, хотя его общая выходная мощность ниже. Это особенно эффективно с Nd: YAG, который имеет узкий профиль поглощения. Накачанные криптоном, эти лазеры могут достигать выходной мощности в два раза больше, чем у ксенона. 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.
Оптическая накачка лазерного стержня (внизу) с помощью дуговой лампы (вверху). Красный: горячий. Синий: холодный. Зеленый свет. Не зеленые стрелки: поток воды. Сплошные цвета: металл. Цвета света: плавленый кварц.
Эти газоразрядные лампы показывают выходные спектральные линии различных благородных газов. Дуговые лампы используются для насосных стержней, которые могут поддерживать непрерывную работу, и может быть изготовлен любого размера и мощности. Типичные дуговые лампы работают при достаточно высоком напряжении, чтобы поддерживать определенный уровень тока, на который они рассчитаны. Часто это диапазон от 10 до 50 ампер. Из-за очень высокого давления дуговые лампы требуют специально разработанной схемы для запуска или «зажигания» дуги. Забастовка обычно проходит в три этапа. В фазе запуска чрезвычайно высокий импульс напряжения от трансформатора "последовательного запуска" создает искровую полосу между электродами, но полное сопротивление слишком велико для того, чтобы основное напряжение могло взять верх. Затем инициируется фаза «повышающего напряжения», когда напряжение, превышающее падение напряжения между электродами, пропускается через лампу, пока газ не нагреется до состояния плазмы.. Когда импеданс становится достаточно низким, вступает в действие фаза «контроля тока», когда основное напряжение начинает доводить ток до стабильного уровня.
Накачка дуговой лампой происходит в резонаторе, аналогичном лазеру с ламповой накачкой., со стержнем и одной или несколькими лампами в полости отражателя. Точная форма полости часто зависит от того, сколько ламп используется. Основное 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 посредством электролиза. Вода обычно проходит через расходомерную трубку со скоростью от 4 до 10 литров в минуту.
Дуговые лампы бывают почти всех типов благородных газов, включая ксенон, криптон, аргон, неон и гелий, все из которых испускают спектральные линии, которые очень специфичны к газу. Спектр излучения дуговой лампы в основном зависит от типа газа, так как спектральные линии с узкой полосой 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.
Лазер на красителе, настроенный на 589 нм (янтарно-желтый), накачиваемый внешним лазером Nd: YAG с удвоенной частотой @ 532 нм (желтовато-зеленый). Близость длин волн приводит к очень малому стоксову сдвигу, уменьшая потери энергии. A лазер подходящего типа может использоваться для накачки 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 импульсных ламп. Диодные лазеры накачки твердотельные лазеры и жидкие лазеры на красителях. Кольцевой лазер часто используется, особенно в лазерах 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.
Микроволны или радиочастотное ЭМ излучение можно использовать для возбуждения газовых лазеров.
A лазер с солнечной накачкой использует солнечное излучение в качестве источника накачки.
Электрический тлеющий разряд распространен в газовых лазерах. Например, в гелий-неоновом лазере электроны из 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)
электронных лучей накачки лазеров на свободных электронах и некоторых эксимерные лазеры.
газодинамические лазеры сконструированы с использованием сверхзвукового потока газов, таких как углекислый газ, для возбуждения молекул за порог. Газ сжимают и затем нагревают до 1400 кельвина. Затем газу дают возможность быстро расширяться через сопла специальной формы до очень низкого давления. Это расширение происходит при сверхзвуковых скоростях, иногда до мах 4. Горячий газ имеет много молекул в верхних возбужденных состояниях, в то время как гораздо больше молекул находится в нижних состояниях. 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 низкая температура. Однако молекулы в нижних состояниях релаксируют очень быстро, тогда как молекулам верхнего состояния требуется гораздо больше времени, чтобы расслабиться. Поскольку большое количество молекул остается в верхнем состоянии, создается инверсия населенностей, которая часто распространяется на значительное расстояние ниже по потоку. Выходные непрерывные волны мощностью 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 либо через химические реакция, электрическая или радиочастотная накачка. Адиабатическое охлаждение заменяет громоздкое и дорогостоящее криогенное охлаждение жидким азотом, повышая эффективность лазера на оксиде углерода. Лазеры этого типа могут производить мощность в гигаватт с эффективностью до 60%.
Самоканализация смещения заряда может привести к высокой энергии концентрация вдоль колонны, создаваемая и поддерживаемая пондеромоторным выбросом электронов. Канал также будет излучать вторичное излучение с более короткими длинами волн и, в конечном итоге, с очень коротковолновой генерацией.
Химическая реакция используется в качестве источника энергии в химических лазерах. Это позволяет добиться очень высокой выходной мощности, 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 США испытали Рентгеновский лазер, накачиваемый ядерным оружием в 1980-х годах, но результаты испытаний были неубедительными, и они больше не повторялись.
