Кіріспе

Лазерлерді қоректендіру механизмі

Лазерлік сорғылау – лазердің күшейту ортасына сыртқы көзден энергия беру процесі. Энергия ортада сіңіріліп, оның атомдарында қозған күйлерді тудырады. Егер белгілі бір уақыт аралығында бір қозған күйдегі бөлшектердің саны негізгі күйдегі немесе аз қозған күйдегі бөлшектердің санын басып өтетін болса, популяция инверсиясы пайда болады. Осы жағдайда, күшті шығарылым механизмі іске қосылып, орта лазер немесе оптикалық күшейткіш ретінде жұмыс істей алады. Сорғының қуаты лазердің лазерлік шегінен жоғары болуы керек. Әдетте энергия жарық немесе электр тогы түрінде беріледі, бірақ химиялық немесе ядролық реакциялар сияқты сирек кездесетін көздер де қолданылады.

Құбырлар

Аркалық шаммен немесе флэш-лампамен сорғыланатын лазер әдетте лазерлік ортаның бүйір қабырғасы арқылы сорғыланады, ол көбінесе металл қоспасы бар кристалдық таяқша немесе сұйық бояуды қамтитын шыны түтік түрінде болады, бұл "жақтық сорғылау" деп аталады. Лампаның энергиясын барынша тиімді пайдалану үшін лампалар мен лазерлік орта шағылыстыратын қуыста орналасады, онда таяқша немесе бояу ұясына лампаның энергиясының көп бөлігі бағытталады. Ең көп таралған конфигурацияда, күшейту ортасы эллипстік көлденең қимасы таяқша осіне перпендикуляр болатын, көлеңкелі қуыстың бір ошағында орналасқан таяқша түрінде болады. Флэш-лампа – эллипстің екінші ошағында орналасқан түтік. Айнаның жабыны көбінесе лазерлік шығыстан қысқа толқынды ұзындықтарды шағылыстыру үшін таңдалады, ал қысқа толқынды ұзындықтарды сіңіру немесе өткізу арқылы термиялық линза эффектін азайтуға болады. Кейде ұзын толқынды ұзындықтарды сіңіретін абсорбер қолданылады. Лампаның айналасында цилиндрлі қапшақ жиі орналасады. Бұл ағын түтігі әдетте ультракүлгін сияқты қолайсыз толқынды ұзындықтарды сіңіретін немесе инфрақызыл сәулелерді сіңіретін салқындату суына арналған жол ашатын шыныдан жасалады. Кейде қапшаққа диэлектрлік жабын жағылады, ол жарықтың қолайсыз толқынды ұзындықтарын лампаға кері шағылыстырады. Бұл жарық сіңіріледі және оның бір бөлігі қолайлы толқынды ұзындықта қайта шығарылады. Ағын түтігі сондай-ақ күшті лампа бұзылған жағдайда таяқшаны қорғауға да қызмет етеді. Кішкентай эллипстер азырақ шағылыс тудырады ("жақын байланыс" деп аталатын жағдай), бұл таяқшаның ортасындағы қарқындылықты арттырады. Егер лампа мен таяқшаның диаметрі бірдей болса, бір флэш-лампа үшін жарықты таяқшаға бағыттауда ең тиімдісі – ені биіктігінен екі есе үлкен эллипс. Ұзын лампалар электр энергиясын жарыққа тиімді түрде айналдырады, себебі олардың кедерігі жоғары. Алайда, егер таяқша диаметріне қарағанда тым ұзын болса, "алдын ала лазерлеу" деп аталатын жағдай пайда болуы мүмкін, ол таяқшаның энергиясын тиісті деңгейге жеткенше сарқып қалдырады. Таяқша ұштары көбінесе шағылысқа қарсы жабынмен жабылады немесе осы әсерді азайту үшін Брюстер бұрышында кесіледі. Жоғалтуды азайту үшін сорғы қуысының шеттерінде тегіс айналар жиі қолданылады. Бұл конструкцияның нұсқалары бір таяқшаны сорғылау үшін бірнеше лампаларды пайдалануға мүмкіндік беретін күрделі айналарды қолданады. Бұл жоғары қуаттылыққа мүмкіндік береді, бірақ тиімділігі төмендеу, өйткені жарықтың бәрі дұрыс бағытталмайды, бұл термиялық жоғалтуды арттырады. Бұл жоғалтуларды жақын байланыс қуысын пайдалану арқылы азайтуға болады. Бұл тәсіл симметриялық сорғылауға мүмкіндік береді, бірақ сәуле сапасын жақсартады. Көбейтілген шағылыстар саны диффузды ортаның жоғары шағылыстығымен өтеледі: 99% алтын айнаның 97% -ына қарағанда. Бұл тәсіл жылтыратылмаған таяқшалармен немесе бірнеше лампалармен жақсы үйлесімді. Паразиттік режимдер сәуле шағылысы таяқшаның ұзындығы бойында емес, басқа бағыттарда пайда болғанда пайда болады, бұл сәулеге қол жетімді энергияны пайдалана алады. Бұл әсіресе таяқшаның беті жылтыратылған жағдайда қиындық тудырады. Цилиндрлі лазерлік таяқшалар таяқша мен салқындату суы арасындағы толық ішкі шағылыс нәтижесінде шыбырлап тұрған галерея режимдерін қолдайды, олар таяқшаның айналасына үздіксіз шағылысады. Жарық құбырлары ұзындығы бойынша зигзаг тәрізді жолмен шағылысуы мүмкін. Егер таяқша антирефлекстік жабынмен жабылса немесе оның сындыру көрсеткішіне сәйкес келетін сұйықтыққа батырылса, бұл паразиттік шағылыстарды күрт азайтуға болады. Сол сияқты, егер таяқшаның қабырғасы дөрекі (мұздалған) немесе ойылып жасалса, ішкі шағылыстар таралуы мүмкін. Бір лампамен сорғылау энергияның көп бөлігін бір жағына бағыттайды, бұл сәуле профилін нашарлатады. Таяқшаның жарықты тарату үшін және таяқша бойында жарықтың біркелкі таралуын қамтамасыз ету үшін мұздалған қабырғасы болуы жиі кездеседі. Бұл күшейту ортасының барлық бөлігінде көбірек энергия сіңірілуіне мүмкіндік береді, нәтижесінде жақсы көлденең режимге қол жеткізіледі. Ағын түтігінің мұздалуы немесе диффузиялық рефлектор, ауысу тиімділігін төмендеткенімен, бұл әсерді арттыруға көмектеседі, күшейтуді жақсартады. Лазерлік материалдар аз сіңірілуге ие болу үшін таңдалады; сіңіру тек допанттың үлесінде жүреді. Сондықтан допинг сіңірмейтін жиіліктегі жарық лампаға қайта оралып, плазманы қыздырады, бұл лампаның қызмет ету мерзімін қысқартады.

Жарық шаммен сорғылау

Фонарьдық лампалар лазерлердің ең алғашқы энергия көзі болды. Олар қатты күйдегі және бояғыш лазерлерде жоғары импульстік энергия үшін қолданылады. Олар кең спектрлі жарық шығарады, нәтижесінде пайдалы энергияның көп бөлігі жылу ретінде ысырапқа кетеді. Фонарьдық лампалардың қызмет ету мерзімі де қысқа болады. Алғашқы лазер рубин таяғының айналасына оралған спиральді фонарьдан тұрды. Кварцты фонарьдық лампалар лазерлерде ең көп қолданылатын түрі болып табылады және төмен энергияда немесе жоғары қайталану жиілігінде 900°C дейін температурада жұмыс істей алады. Жоғары орташа қуат немесе қайталану жиілігі сумен салқындатуды талап етеді. Су, әдетте, лампаның разряд ұзындығы бойынша ғана емес, сонымен қатар шынының электрод бөлігі бойынша да жуылуы керек. Сумен салқындатылған фонарьдық лампалар көбінесе вольфрамды тікелей салқындату үшін электродтың айналасында шынысы қысқартылып жасалады. Егер электрод шыныдан әлдеқайда қызып кетсе, жылулық кеңею тығыздықты бұзуы мүмкін. Лампаның қызмет ету мерзімі, ең алдымен, нақты лампа үшін қолданылатын энергия режиміне байланысты. Төмен энергиялар катодтан материалды алып тастап, оны шыныға қайта орналастыратын шашырауға әкеледі, бұл қараңғы, айна тәрізді көрініс тудырады. Төмен энергиядағы қызмет ету мерзімін болжау өте қиын. Жоғары энергиялар қабырғаның абляциясына әкеледі, бұл шыныға бұлтты көрініс берумен қатар, оның құрылымдық беріктігін әлсіретеді және қысымға әсер ететін оттегіні бөліп шығарады, бірақ осы энергия деңгейлерінде қызмет ету мерзімін жеткілікті дәлдікпен есептеуге болады. Бояғыш лазерлер кейде "осьтік сорғылауды" қолданады, ол қуыс, сақина тәрізді фонарьдан тұрады, сыртқы қабығы жарамды жарықты орталыққа қайтару үшін айналанған. Бояғыш жасуша ортаға орналастырылады, бұл сорғы жарығының біркелкі таралуын және энергияның тиімдірек берілуін қамтамасыз етеді. Қуыс фонарьтың индуктивтілігі кәдімгі фонарьға қарағанда төмен, бұл қысқа разрядты қамтамасыз етеді. Сирек жағдайларда бояғыш лазерлер үшін "коаксиалды" конструкция қолданылады, ол дөңгелек пішіндегі бояғыш жасушасымен қоршалған стандартты фонарьдан тұрады. Бұл беру тиімділігін жақсартады, керісінше, рефлектор қажеттілігін жояды, бірақ дифракциялық шығындар пайданы төмендетеді. Фонарьдық лампаның шығыс спектрі негізінен оның токтың тығыздығының функциясы болып табылады. Бұл шығысы жақын инфрақызыл аймақта ортаталатын кеңейтілген спектрлік сызықтарды тудырады және Nd:YAG және эрбий:YAG сияқты инфрақызыл лазерлерді сорғылау үшін ең жақсы. Токтың жоғары тығыздығы спектрлік сызықтарды біріктіре бастайтын деңгейге дейін кеңейтеді және үздіксіз эмиссия туындайды. Ұзын толқын ұзындығы қысқа толқын ұзындығына қарағанда төмен токтың тығыздығында қанығу деңгейіне жетеді, сондықтан токтың артуымен шығыс орталығы көрінетін спектрге қарай жылжиды, бұл рубин сияқты көрінетін жарық лазерлерін сорғылау үшін жақсы. Бұл әсіресе тар сіңіру профилі бар Nd:YAG үшін тиімді. Криптонмен сорғыланған бұл лазерлер ксеноннан алынатын қуаттан екі есеге дейін жоғары қуатқа жете алады. Nd:YAG-ді криптонмен сорғылау кезінде спектрлік сызық эмиссиясы әдетте таңдалады, бірақ ксенонның барлық спектрлік сызықтары Nd:YAG сіңіру жолақтарын жіберіп алғандықтан, ксенонмен сорғылау кезінде үздіксіз эмиссия қолданылады.

Аркалы шамдарды сорғылау

Аркалы шамдар үздіксіз жұмыс істеуге арналған сорғы таяқтарында қолданылады және кез келген өлшем мен қуатта жасалуы мүмкін. Типик аркалы шамдар шамның жобаланған тоқ деңгейін сақтауға жеткілікті жоғары кернеуде жұмыс істейді. Бұл көбінесе 10-ден 50 амперге дейін ауқымда болады. Аркалы шамдардың өте жоғары қысымы болғандықтан, оларды іске қосу немесе "доғаны тұтандыру" үшін арнайы схемалар қажет. Доғаны тұтандыру әдетте үш кезеңнен тұрады. Бастапқы кезеңде "тізбекті тұтандыру" трансформаторынан шығатын өте жоғары кернеу импульсі электродтар арасында ұшқын тудырады, бірақ кедергі негізгі кернеудің иелік етуі үшін тым жоғары. Содан кейін "қуатты арттыру" кезеңі басталады, онда газ плазмалық күйге дейін қызғанша электродтар арасындағы кернеудің түсуінен жоғары кернеу шам арқылы жіберіледі. Кедергі жеткілікті деңгейге төмендеген кезде "тоқ басқару" кезеңі басталады, онда негізгі кернеу тоқты тұрақты деңгейге жеткізе бастайды.

Басқа оптикалық сорғылау әдістері

Газ лазерлерін қоздыру үшін микротолқынды немесе радиожиілікті ЭМ сәулеленуді қолдануға болады. Күн энергиясын сорғы көзі ретінде пайдаланатын күнмен қоздырылатын лазер.

Газдық динамикалық сорғылау

Газдық динамикалық лазерлер молекулаларды шекті деңгейден асырып қоздыру үшін көмірқышқыл газы сияқты газдардың үстінкү дыбыстық ағынын пайдаланып құрастырылады. Газ қысыммен көтеріліп, 1400 Кельвинге дейін қыздырылады. Содан кейін газ арнайы пішінді соплолар арқылы өте төмен қысымға дейін жылдам кеңейеді. Бұл кеңею үстінкү дыбыстық жылдамдықпен, кейде 4 Мах жылдамдықпен жүзеге асады. Ыстық газдың көптеген молекулалары жоғары энергиялық күйде, ал көбірек молекулалары төмен энергиялық күйде болады. Жылдам кеңею адиабаттық салқындатуға алып келеді, нәтижесінде температура 300 К-ге дейін төмендейді. Температураның төмендеуі жоғары және төмен энергиялық күйдегі молекулалардың тепе-теңдігін төмен температураға сәйкес келетін мәнге дейін өзгертеді. Дегенмен, төмен энергиялық күйдегі молекулалар өте жылдам демалады, ал жоғары энергиялық күйдегі молекулалар демалуға көбірек уақыт алады. Жоғары энергиялық күйде қалған жеткілікті мөлшердегі молекулалардың арқасында популяциялық инверсия пайда болады, ол көбінесе ағыс бағытында біршама қашықтыққа дейін созылады. Динамикалық көмірқышқыл газы лазерлері 100 киловаттқа дейін үздіксіз толқынды шығаруға қол жеткізеді. Осыған ұқсас үстінкү дыбыстық кеңею әдістері көміртек оксиді лазерлерін адиабаттық түрде салқындату үшін қолданылады, содан кейін олар химиялық реакция, электрлік немесе радиожиілік әдістерімен қоздырылады. Адиабаттық салқындату сұйық азотты пайдаланатын ауыр және қымбат криогендік салқындатуды алмастырады, көміртек оксиді лазерінің тиімділігін арттырады. Осы типтегі лазерлер бір гигаваттқа дейін шығыс қуатын, ал тиімділігі 60%-ға дейін жетеді.

Басқа түрлері

Зарядтың ығысуы арқылы өздігінен шоғырлану, электрондардың ponderomotive күшімен құрылған және сақталатын бағана бойымен жоғары энергия концентрациясына алып келуі мүмкін. Бұл арна қысқа толқынды екіншілік сәулеленуді және соңында өте қысқа толқынды лазерлік сәулеленуді шоғырландырады. Химиялық лазерлерде химиялық реакция қуат көзі ретінде қолданылады. Бұл, басқа тәсілдермен қол жеткізуге қиын жатқан өте жоғары шығыс қуатын қамтамасыз етеді. Ядролық бөліну экзотикалық ядролық сорғымен жұмыс істейтін лазерлерде (NPL) қолданылады, олар ядролық реакторда пайда болатын жылдам нейтрондардың энергиясын тікелей пайдаланады. 1980 жылдары АҚШ әскері ядролық қарумен қоздырылған рентген лазерін сынақтан өткізді, бірақ сынақ нәтижелері шешімді болмады және қайталанбады.