Механизмы накачки лазеров

Введение

Механизм накачки лазеров

Накачка лазера — это процесс передачи энергии от внешнего источника в активную среду лазера. Энергия поглощается средой, создавая возбужденные состояния в ее атомах. Когда на определенный период времени число частиц в одном возбужденном состоянии превышает число частиц в основном состоянии или менее возбужденном состоянии, достигается инверсия населенностей. В этом состоянии может происходить механизм вынужденного излучения, и среда может функционировать как лазер или оптический усилитель. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Энергия накачки обычно подается в виде света или электрического тока, но также используются и более экзотические источники, такие как химические или ядерные реакции.

Насосные полости

Лазер, накачиваемый дуговой лампой или импульсной лампой, обычно накачивается через боковую стенку активной 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 активная среда помещены в отражательную полость, которая перенаправляет большую часть энергии лампы в стержень или кювету с красителем. В наиболее распространенной конфигурации, активная среда имеет форму стержня, расположенного в одном фокусе зеркальной полости, состоящей из эллиптического поперечного сечения, перпендикулярного оси стержня. Импульсная лампа – это трубка, расположенная в другом фокусе эллипса. Часто покрытие зеркала выбирается для отражения длин волн, которые короче, чем выходная лазерная длина волны, в то время как длины волн, которые равны или длиннее, поглощаются или пропускаются, чтобы минимизировать тепловое линзирование. В других случаях используется поглотитель для более длинных длин волн. Часто лампа окружена цилиндрической оболочкой, называемой проточной трубкой. Эта трубка обычно изготавливается из стекла, которое поглощает нежелательные длины волн, такие как ультрафиолетовые, или обеспечивает путь для охлаждающей воды, которая поглощает инфракрасные лучи. Часто на оболочке наносится диэлектрическое покрытие, отражающее нежелательные длины волн света обратно в лампу. Этот свет поглощается, и часть его переизлучается на подходящих длинах волн. Проточная трубка также служит для защиты стержня в случае аварии лампы. Меньшие эллипсы создают меньше отражений (состояние, называемое "плотной связью"), обеспечивая более высокую интенсивность в центре стержня. Для одной импульсной лампы, если лампа и стержень имеют одинаковый диаметр, эллипс, который в два раза шире, чем высок, обычно наиболее эффективен для фокусировки света в стержень. Стержень и лампа относительно длинные, чтобы минимизировать эффект потерь на торцевых поверхностях и обеспечить достаточную длину активной среды. Более длинные импульсные лампы также более эффективно преобразуют электрическую энергию в свет из-за более высокого импеданса. Однако, если стержень слишком длинный по отношению к его диаметру, может возникнуть состояние, называемое "предгенерацией", истощающее энергию стержня до того, как он сможет должным образом накачаться. Торцы стержней часто покрыты антиотражающим покрытием или обрезаны под углом Брюстера, чтобы минимизировать этот эффект. Плоские зеркала также часто используются на концах накачивающей полости для уменьшения потерь. Вариации этой конструкции используют более сложные зеркала, состоящие из перекрывающихся эллиптических форм, чтобы позволить нескольким импульсным лампам накачивать один стержень. Это позволяет увеличить мощность, но менее эффективно, потому что не весь свет правильно фокусируется в стержень, что приводит к увеличению тепловых потерь. Эти потери можно минимизировать, используя полость с плотной связью. Этот подход может обеспечить более симметричную накачку, повышая качество пучка. Увеличение количества 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 оси стержня, что может потреблять энергию, которая в противном случае была бы доступна пучку. Это может быть особенно проблематично, если поверхность стержня полирована. Цилиндрические лазерные стержни поддерживают шепчущие галерейные моды из-за полного внутреннего отражения между стержнем и охлаждающей водой, которые непрерывно отражаются по окружности стержня. Световодные моды могут отражаться вдоль стержня по зигзагообразной траектории. Если стержень имеет антиотражающее покрытие или погружен в жидкость, соответствующую его показателю преломления, это может значительно уменьшить эти паразитные отражения. Аналогично, если поверхность стержня грубо обработана (матовая) или рифленая, внутренние отражения могут быть рассеяны. Накачка одной лампой имеет тенденцию фокусировать большую часть энергии на одной стороне, ухудшая профиль пучка. Обычно стержни имеют матовую поверхность, чтобы рассеивать свет, обеспечивая более равномерное распределение света по стержню. Это позволяет большему поглощению энергии во всей активной среде для лучшего поперечного мода. Матовая проточная трубка или диффузный отражатель, хотя и приводят к снижению эффективности передачи, помогают увеличить этот эффект, улучшая усиление. Материалы для лазерной накачки выбираются с низким поглощением; поглощает только легирующая добавка. Поэтому любой свет на частотах, не поглощаемых легирующей добавкой, вернется в лампу и перегреет плазму, сокращая срок службы лампы.

A laser pumped with an arc lamp or a flashlamp is usually pumped through the lateral wall of the lasing medium, which is often in the form of a crystal rod containing a metallic impurity or a glass tube containing a liquid dye, in a condition known as "side pumping." To use the lamp's energy most efficiently, the lamps and lasing medium are contained in a reflective cavity that will redirect most of the lamp's energy into the rod or dye cell. In the most common configuration, the gain medium is in the form of a rod located at one focus of a mirrored cavity, consisting of an elliptical cross section perpendicular to the rod's axis. The flashlamp is a tube located at the other focus of the ellipse. Often the mirror's coating is chosen to reflect wavelengths that are shorter than the lasing output while absorbing or transmitting wavelengths that are the same or longer, to minimize thermal lensing. In other cases an absorber for the longer wavelengths is used. Often, the lamp is surrounded by a cylindrical jacket called a flow tube. This flow tube is usually made of a glass that will absorb unsuitable wavelengths, such as ultraviolet, or provide a path for cooling water which absorbs infrared. Often, the jacket is given a dielectric coating that reflects unsuitable wavelengths of light back into the lamp. This light is absorbed and some of it is re emitted at suitable wavelengths. The flow tube also serves to protect the rod in the event of a violent lamp failure. Smaller ellipses create fewer reflections, (a condition called "close coupling"), giving higher intensity in the center of the rod. For a single flashlamp, if the lamp and rod are equal diameter, an ellipse that is twice as wide as it is high is usually the most efficient at imaging the light into the rod. The rod and the lamp are relatively long to minimize the effect of losses at the end faces and to provide a sufficient length of gain medium. Longer flashlamps are also more efficient at transferring electrical energy into light, due to higher impedance. However, if the rod is too long in relation to its diameter a condition called "prelasing" can occur, depleting the rod's energy before it can properly build up. Rod ends are often antireflection coated or cut at Brewster's angle to minimize this effect. Flat mirrors are also often used at the ends of the pump cavity to reduce loss. Variations on this design use more complex mirrors composed of overlapping elliptical shapes, to allow multiple flashlamps to pump a single rod. This allows greater power, but are less efficient because not all of the light is correctly imaged into the rod, leading to increased thermal losses. These losses can be minimized by using a close coupled cavity. This approach may allow more symmetric pumping, increasing beam quality, however. The increased number of reflections is compensated for by the diffuse medium's higher reflectivity: 99% compared to 97% for a gold mirror. This approach is more compatible with unpolished rods or multiple lamps. Parasitic modes occur when reflections are generated in directions other than along the length of the rod, which can use up energy that would otherwise be available to the beam. This can be a particular problem if the barrel of the rod is polished. Cylindrical laser rods support whispering gallery modes due to total internal reflection between the rod and the cooling water, which reflect continuously around the circumference of the rod. Light pipe modes can reflect down the length of the rod in a zig zag path. If the rod has an antireflection coating, or is immersed in a fluid that matches its refractive index, it can dramatically reduce these parasitic reflections. Likewise, if the barrel of the rod is rough ground (frosted), or grooved, internal reflections can be dispersed. Pumping with a single lamp tends to focus most of the energy on one side, worsening the beam profile. It is common for rods to have a frosted barrel, to diffuse the light, providing a more even distribution of light throughout the rod. This allows more energy absorption throughout the gain medium for a better transverse mode. A frosted flow tube or diffuse reflector, while leading to lowered transfer efficiency, helps increase this effect, improving the gain. Laser host materials are chosen to have a low absorption; only the dopant absorbs. Therefore, any light at frequencies not absorbed by the doping will go back into the lamp and reheat the plasma, shortening lamp life.

Накачивание фонариком

Фонари были первым источником энергии для лазеров. Они используются для получения высоких импульсных энергий как в твердотельных, так и в красительных лазерах. Фонари генерируют широкий спектр света, из-за чего большая часть энергии теряется в виде тепла в активной среде. Фонари также, как правило, имеют небольшой срок службы. Первый лазер состоял из спирального фонаря, окружающего рубиновый стержень. Кварцевые фонари – наиболее распространенный тип, используемый в лазерах, и при низких энергиях или высоких частотах повторения могут работать при температурах до 900 °C. Для более высоких средних мощностей или частот повторения требуется водяное охлаждение. Вода обычно должна омывать не только дуговую область лампы, но и электродную часть стеклянной колбы. Водяные фонари обычно изготавливаются с уменьшенной в объеме стеклянной колбой вокруг электрода для обеспечения непосредственного охлаждения вольфрама. Если электроду позволено нагреваться значительно больше, чем стеклу, тепловое расширение может привести к разрушению герметичности. Срок службы лампы зависит главным образом от энергетического режима, используемого для данной лампы. Низкие энергии приводят к распылению, которое может удалять материал с катода и повторно осаждать его на стекло, создавая потемневшее, зеркальное покрытие. Ожидаемый срок службы при низких энергиях может быть весьма непредсказуемым. Высокие энергии вызывают абляцию стенок, что не только придает стеклу мутный вид, но и ослабляет его конструкцию и высвобождает кислород, влияя на давление. Однако при этих уровнях энергии ожидаемый срок службы можно рассчитать с достаточной точностью. Красительные лазеры иногда используют "аксиальную накачку", которая состоит из полого фонаря кольцеобразной формы, с внешней оболочкой, покрытой отражающим слоем для возврата подходящего света в центр. Ячейка с красителем помещается в середине, обеспечивая более равномерное распределение света накачки и более эффективный перенос энергии. Полый фонарь также имеет более низкую индуктивность, чем обычный фонарь, что обеспечивает более короткий импульс накачки. Редко для красительных лазеров используется "коаксиальная" конструкция, состоящая из обычного фонаря, окруженного кольцеобразной ячейкой с красителем. Это обеспечивает лучшую эффективность переноса, устраняя необходимость в отражателе, но дифракционные потери приводят к меньшему усилению. Выходной спектр фонаря в основном определяется его плотностью тока. Это приводит к расширению спектральных линий, максимум которых приходится на ближний ИК-диапазон, что оптимально для накачки инфракрасных лазеров, таких как Nd:YAG и эрбий:YAG. Более высокие плотности тока расширяют спектральные линии до точки, где они начинают сливаться, и возникает непрерывное излучение. Длины волн большего размера достигают уровня насыщения при более низких плотностях тока, чем длины волн меньшего размера, поэтому с увеличением тока максимум излучения смещается в видимый спектр, что лучше для накачки видимых лазеров, таких как рубиновый. Это особенно эффективно для Nd:YAG, который имеет узкий профиль поглощения. При накачке криптоном эти лазеры могут достигать вдвое большей выходной мощности, чем при накачке ксеноном. При накачке Nd:YAG криптоном обычно выбирается спектральное излучение, но поскольку все спектральные линии ксенона не попадают в полосы поглощения Nd:YAG, при накачке ксеноном используется непрерывное излучение.

Flashlamps were the earliest energy source for lasers. They are used for high pulsed energies in both solid state and dye lasers. They produce a broad spectrum of light, causing most of the energy to be wasted as heat in the gain medium. Flashlamps also tend to have a short lifetime. The first laser consisted of a helical flashlamp surrounding a ruby rod. Quartz flashlamps are the most common type used in lasers, and, at low energies or high repetition rates, can operate at temperatures as high as 900 °C. Higher average powers or repetition rates require water cooling. The water usually has to wash across not only the arc length of the lamp, but across the electrode portion of the glass as well. Water cooled flashlamps are usually manufactured with the glass shrunken around the electrode to allow direct cooling of the tungsten. If the electrode is allowed to heat much more than the glass thermal expansion can crack the seal. Lamp lifetime depends primarily on the energy regime used for the particular lamp. Low energies give rise to sputter, which can remove material from the cathode and redeposit it on the glass, creating a darkened, mirrored appearance. The life expectancy at low energies can be quite unpredictable. High energies cause wall ablation, which not only gives the glass a cloudy appearance, but also weakens it structurally and releases oxygen, affecting pressure, but at these energy levels the life expectancy can be calculated with a fair amount of accuracy. Dye lasers sometimes use "axial pumping," which consists of a hollow, annular shaped flashlamp, with the outer envelope mirrored to reflect suitable light back to the center. The dye cell is placed in the middle, providing a more even distribution of pumping light, and more efficient transfer of energy. The hollow flashlamp also has lower inductance than a normal flashlamp, which provides a shorter flash discharge. Rarely, a "coaxial" design is used for dye lasers, which consists of a normal flashlamp surrounded by an annular shaped dye cell. This provides better transfer efficiency, eliminating the need for a reflector, but diffraction losses cause a lower gain. The output spectrum of a flashlamp is primarily a product of its current density. This produces broadened spectral lines with the output centered in the near IR, and is best for pumping infrared lasers such as Nd:YAG and erbium:YAG. Higher current densities broaden the spectral lines to the point where they begin to blend together, and continuum emission is produced. Longer wavelengths reach saturation levels at lower current densities than shorter wavelengths, so as current is increased the output center will shift toward the visual spectrum, which is better for pumping visible light lasers, such as ruby. This is especially effective with Nd:YAG, which has a narrow absorption profile. Pumped with krypton, these lasers can achieve up to twice the output power obtainable from xenon. Spectral line emission is usually chosen when pumping Nd:YAG with krypton, but since all of xenon's spectral lines miss the absorption bands of Nd:YAG, when pumping with xenon the continuum emission is used.

Насосы луковой лампы

Дуговые лампы используются для насосных штанг, способных поддерживать непрерывную работу, и могут быть изготовлены любого размера и мощности. Типичные дуговые лампы работают при напряжении, достаточно высоком для поддержания заданного уровня тока, на который рассчитана лампа. Обычно это находится в диапазоне от 10 до 50 ампер. Из-за очень высокого давления, дуговые лампы требуют специально разработанных схем для запуска, или "зажигания" дуги. Зажигание обычно происходит в три этапа. На этапе инициации, чрезвычайно высокий импульс напряжения от трансформатора "последовательного зажигания" создает искровой разряд между электродами, но сопротивление слишком велико для включения основного напряжения. Затем начинается этап "повышения напряжения", на котором напряжение, превышающее падение напряжения между электродами, подается на лампу, пока газ не нагреется до состояния плазмы. Когда сопротивление становится достаточно низким, начинается этап "контроля тока", на котором основное напряжение начинает стабилизировать ток на заданном уровне.

Другие оптические методы перекачки

Для возбуждения газовых лазеров можно использовать микроволновое или радиочастотное электромагнитное излучение. Лазер с солнечной накачкой использует солнечное излучение в качестве источника накачки.

Динамическое насосное подача газа

Газодинамические лазеры создаются с использованием сверхзвукового потока газов, таких как углекислый газ, для возбуждения молекул выше порогового значения. Газ сжимается, а затем нагревается до температуры до 1400 Кельвинов. Затем газ быстро расширяется через специально спрофилированные сопла до очень низкого давления. Это расширение происходит на сверхзвуковых скоростях, достигающих иногда 4 махов. В горячем газе содержится множество молекул в верхних возбужденных состояниях, в то время как гораздо большее их количество находится в нижних состояниях. Быстрое расширение вызывает адиабатическое охлаждение, которое снижает температуру до 300 К. Это снижение температуры приводит к релаксации равновесия молекул в верхних и нижних состояниях до значения, соответствующего более низкой температуре. Однако молекулы в нижних состояниях релаксируют очень быстро, а молекулам в верхних состояниях требуется значительно больше времени для релаксации. Поскольку значительное количество молекул остается в верхнем состоянии, создается инверсия населенностей, которая часто простирается на значительное расстояние по направлению потока. Непрерывное излучение мощностью до 100 киловатт было получено от динамических лазеров на углекислом газе. Аналогичные методы сверхзвукового расширения используются для адиабатического охлаждения лазеров на монооксиде углерода, которые затем накачиваются химическим путем, электрическим током или радиочастотным излучением. Адиабатическое охлаждение заменяет громоздкое и дорогостоящее криогенное охлаждение жидким азотом, повышая эффективность лазера на монооксиде углерода. Лазеры этого типа способны генерировать мощность до гигаватта с эффективностью до 60%.

Другие виды

Самоканализация с перемещением заряда может приводить к высокой концентрации энергии вдоль колонны, созданной и поддерживаемой подзорно-двигательным вытеснением электронов. Канал также будет фокусировать вторичное излучение с более короткой длиной волны и, в конечном итоге, когерентное излучение на чрезвычайно коротких длинах волн. Химическая реакция используется в качестве источника энергии в химических лазерах, что позволяет достигать очень высоких выходных мощностей, недостижимых другими способами. Ядерное деление используется в экзотических ядерно-накачиваемых лазерах (ЯНЛ), непосредственно использующих энергию быстрых нейтронов, высвобождаемых в ядерном реакторе. В 1980-х годах вооруженные силы США испытывали рентгеновский лазер, накачиваемый ядерным оружием, однако результаты испытаний оказались неоднозначными и не были повторены.