Накачка лазера — это процесс передачи энергии от внешнего источника в среду усиления лазера . Энергия поглощается средой, создавая возбужденные состояния в ее атомах. Когда в течение некоторого времени число частиц в одном возбужденном состоянии превышает число частиц в основном состоянии или менее возбужденном состоянии, достигается инверсия населенностей . 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 подается в виде света или электрического тока , но используются и более экзотические источники, такие как химические или ядерные реакции .
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». Для наиболее эффективного использования энергии лампы лампы и лазерная среда содержатся в отражающей полости, которая перенаправляет большую часть энергии лампы в стержень или ячейку с красителем.
В наиболее распространенной конфигурации среда усиления имеет форму стержня, расположенного в одном фокусе зеркальной полости, состоящей из эллиптического поперечного сечения, перпендикулярного оси стержня. Лампа-вспышка представляет собой трубку, расположенную в другом фокусе эллипса. Часто покрытие зеркала выбирается для отражения длин волн , которые короче выходного лазерного излучения, при этом поглощая или пропуская длины волн, которые являются такими же или более длинными, чтобы минимизировать тепловой линзовый эффект . В других случаях используется поглотитель для более длинных волн. Часто лампа окружена цилиндрической оболочкой, называемой расходомерной трубкой. Эта расходомерная трубка обычно сделана из стекла, которое будет поглощать неподходящие длины волн, такие как ультрафиолет, или обеспечивать путь для охлаждающей воды, которая поглощает инфракрасное излучение. Часто оболочка имеет диэлектрическое покрытие , которое отражает неподходящие длины волн света обратно в лампу. Этот свет поглощается, и часть его повторно излучается на подходящих длинах волн. Расходомерная трубка также служит для защиты стержня в случае резкого отказа лампы.
Меньшие эллипсы создают меньше отражений (состояние, называемое «тесной связью»), давая более высокую интенсивность в центре стержня. [1] Для одной лампы-вспышки, если лампа и стержень имеют одинаковый диаметр, эллипс, который в два раза шире своей высоты, обычно наиболее эффективен для отображения света в стержне. Стержень и лампа относительно длинные, чтобы минимизировать эффект потерь на торцах и обеспечить достаточную длину усиливающей среды. Более длинные лампы-вспышки также более эффективны для преобразования электрической энергии в свет из-за более высокого импеданса . [2] Однако, если стержень слишком длинный по отношению к своему диаметру, может возникнуть состояние, называемое «предварительной лазерной генерацией», истощающее энергию стержня до того, как она сможет должным образом накопиться. [3] Концы стержня часто покрываются антибликовым покрытием или обрезаются под углом Брюстера, чтобы минимизировать этот эффект. [4] Плоские зеркала также часто используются на концах полости насоса для уменьшения потерь. [5]
Вариации этой конструкции используют более сложные зеркала, состоящие из перекрывающихся эллиптических форм, чтобы позволить нескольким лампам-вспышкам накачивать один стержень. Это обеспечивает большую мощность, но менее эффективно, поскольку не весь свет правильно отображается в стержне, что приводит к увеличению тепловых потерь. Эти потери можно минимизировать, используя близкосвязанный резонатор. Такой подход может обеспечить более симметричную накачку, повышая качество пучка, однако. [5]
Другая конфигурация использует стержень и лампу-вспышку в полости, сделанной из диффузно отражающего материала , такого как спектролон или порошкообразный сульфат бария . Эти полости часто бывают круглыми или продолговатыми, поскольку фокусировка света не является основной целью. Это не связывает свет так же хорошо с лазерной средой, поскольку свет делает много отражений, прежде чем достичь стержня, но часто требует меньшего обслуживания, чем металлизированные отражатели. [6] Увеличенное количество отражений компенсируется более высокой отражательной способностью диффузной среды: 99% по сравнению с 97% для золотого зеркала. [7] Этот подход более совместим с неполированными стержнями или несколькими лампами.
Паразитные моды возникают, когда отражения генерируются в направлениях, отличных от направления по длине стержня, что может расходовать энергию, которая в противном случае была бы доступна лучу. Это может быть особой проблемой, если ствол стержня отполирован. Цилиндрические лазерные стержни поддерживают моды шепчущей галереи из-за полного внутреннего отражения между стержнем и охлаждающей водой, которые непрерывно отражаются по окружности стержня. Моды световода могут отражаться по длине стержня по зигзагообразной траектории. Если стержень имеет антиотражающее покрытие или погружен в жидкость, которая соответствует его показателю преломления , это может значительно уменьшить эти паразитные отражения. Аналогично, если ствол стержня грубо отшлифован (матовый) или имеет канавки, внутренние отражения могут быть рассеяны. [8]
Накачка одной лампой имеет тенденцию фокусировать большую часть энергии на одной стороне, ухудшая профиль пучка. Обычно стержни имеют матовый ствол, чтобы рассеивать свет, обеспечивая более равномерное распределение света по всему стержню. Это позволяет больше поглощать энергию по всей среде усиления для лучшего поперечного режима . Матовая проточная трубка или диффузный отражатель, хотя и приводят к снижению эффективности передачи, помогают увеличить этот эффект, улучшая усиление . [ 9]
Материалы-хозяева лазера выбираются с низким поглощением; поглощает только легирующая примесь . Поэтому любой свет на частотах, не поглощенных легирующей примесью, вернется в лампу и снова нагреет плазму, что сократит срок службы лампы.
Импульсные лампы были первым источником энергии для лазеров. Они используются для высоких импульсных энергий как в твердотельных, так и в лазерах на красителях. Они производят широкий спектр света, в результате чего большая часть энергии тратится впустую в виде тепла в среде усиления. Импульсные лампы также, как правило, имеют короткий срок службы. [10] Первый лазер состоял из спиральной импульсной лампы, окружающей рубиновый стержень.
Кварцевые импульсные лампы являются наиболее распространенным типом, используемым в лазерах, и при низких энергиях или высоких частотах повторения могут работать при температурах до 900 °C. Более высокие средние мощности или частоты повторения требуют водяного охлаждения. Вода обычно должна омывать не только дугу лампы, но и электродную часть стекла. Импульсные лампы с водяным охлаждением обычно изготавливаются со стеклом, усаженным вокруг электрода, чтобы обеспечить прямое охлаждение вольфрама . Если электрод нагревается намного больше, чем тепловое расширение стекла может привести к трещине уплотнения. [11]
Срок службы лампы зависит в первую очередь от энергетического режима, используемого для конкретной лампы. Низкие энергии приводят к распылению , которое может удалить материал с катода и повторно осадить его на стекле, создавая затемненный, зеркальный вид. Ожидаемая продолжительность жизни при низких энергиях может быть совершенно непредсказуемой. Высокие энергии вызывают абляцию стенки , что не только придает стеклу мутный вид, но и ослабляет его структурно и выделяет кислород , влияя на давление, но при этих уровнях энергии ожидаемая продолжительность жизни может быть рассчитана с достаточной точностью. [11]
Длительность импульса также может влиять на срок службы. Очень длинные импульсы могут срывать большие количества материала с катода, осаждая его на стенках. При очень коротких длительностях импульса необходимо следить за тем, чтобы дуга была центрирована в лампе, далеко от стекла, предотвращая серьезную абляцию стенок. [11] Внешнее включение обычно не рекомендуется для коротких импульсов. [11] Включение медленным напряжением обычно используется для чрезвычайно быстрых разрядов, как это используется в лазерах на красителях, и часто сочетается с «техникой предварительного импульса», когда небольшая вспышка инициируется всего за миллисекунды до основной вспышки, чтобы предварительно нагреть газ для более быстрого времени нарастания . [12]
Лазеры на красителях иногда используют «аксиальную накачку», которая состоит из полой кольцевой лампы-вспышки с зеркальной внешней оболочкой для отражения подходящего света обратно в центр. Ячейка с красителем помещается в середине, обеспечивая 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 разряд вспышки. Редко для лазеров на красителях используется «коаксиальная» конструкция, которая состоит из обычной лампы-вспышки, окруженной кольцевой ячейкой с красителем. Это обеспечивает лучшую эффективность передачи, устраняя необходимость в отражателе, но потери на дифракцию приводят к более низкому усилению. [13]
Выходной спектр лампы-вспышки в первую очередь является продуктом ее плотности тока . [11] После определения «энергии взрыва» для длительности импульса (количества энергии, которое уничтожит его за одну-десять вспышек) и выбора безопасного уровня энергии для работы, баланс напряжения и емкости может быть отрегулирован для центрирования выхода в любом месте от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолетового диапазона. Низкие плотности тока являются результатом использования очень высокого напряжения и низкого тока. [11] [14] Это создает расширенные спектральные линии с выходом, центрированным 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, и создается непрерывное излучение. Более длинные длины волн достигают уровней насыщения при более низких плотностях тока, чем более короткие длины волн, поэтому при увеличении тока центр выхода будет смещаться в сторону визуального спектра, что лучше для накачки лазеров видимого света, таких как рубиновые . [2] В этот момент газ становится почти идеальным «излучателем серого тела». [14] Еще более высокие плотности тока будут создавать излучение черного тела , концентрируя выход в ультрафиолете.
Ксенон широко используется из-за его хорошей эффективности, [11] хотя криптон часто используется для накачки неодимовых легированных лазерных стержней. Это связано с тем, что спектральные линии в ближнем ИК-диапазоне лучше соответствуют линиям поглощения неодима, что обеспечивает криптону лучшую эффективность передачи, даже несмотря на то, что его общая выходная мощность ниже. [11] [15] [16] Это особенно эффективно с Nd:YAG, который имеет узкий профиль поглощения. Накачиваемые криптоном, эти лазеры могут достигать выходной мощности, в два раза превышающей мощность, получаемую от ксенона. [17] Спектральное излучение линий обычно выбирается при накачке Nd:YAG криптоном, но поскольку все спектральные линии ксенона не попадают в полосы поглощения Nd:YAG, при накачке ксеноном используется непрерывное излучение. [18]
Дуговые лампы используются для насосных штанг, которые могут поддерживать непрерывную работу, и могут быть сделаны любого размера и мощности. Типичные дуговые лампы работают при напряжении, достаточно высоком для поддержания определенного уровня тока, для которого лампа была разработана. Это часто находится в диапазоне от 10 до 50 ампер. Из-за их очень высокого давления дуговые лампы требуют специально разработанной схемы для запуска или «поджига» дуги. Поджигание обычно происходит в три фазы. В фазе запуска чрезвычайно высокий импульс напряжения от трансформатора «последовательного запуска» создает искровой стример между электродами, но импеданс слишком высок для того, чтобы основное напряжение взяло верх. Затем инициируется фаза «повышающего напряжения», где напряжение, которое выше падения напряжения между электродами, пропускается через лампу, пока газ не нагреется до состояния плазмы . Когда импеданс становится достаточно низким, вступает в силу фаза «управления током», где основное напряжение начинает выводить ток на стабильный уровень. [11]
Накачка дуговой лампы происходит в полости, похожей на лазер с накачкой лампой-вспышкой, со стержнем и одной или несколькими лампами в полости отражателя. Точная форма полости часто зависит от того, сколько ламп используется. Основное отличие заключается в охлаждении. Дуговые лампы необходимо охлаждать водой, гарантируя, что вода омывает стекло и также электродные разъемы. Для этого требуется использование деионизированной воды с удельным сопротивлением не менее 200 кОм, чтобы не допустить короткого замыкания цепи и коррозии электродов посредством электролиза . Вода обычно направляется через расходомерную трубку со скоростью от 4 до 10 литров в минуту. [11]
Дуговые лампы бывают почти со всеми типами благородных газов , включая ксенон , криптон , аргон , неон и гелий , которые все испускают спектральные линии , которые очень специфичны для газа. Выходной спектр дуговой лампы в основном зависит от типа газа, представляя собой узкополосные спектральные линии, очень похожие на импульсную лампу, работающую при низких плотностях тока. Выходной сигнал наиболее высок в ближнем инфракрасном диапазоне и обычно используется для накачки инфракрасных лазеров, таких как Nd:YAG.
Лазер подходящего типа может быть использован для накачки другого лазера. Узкий спектр лазера накачки позволяет ему быть близко согласованным с линиями поглощения лазерной среды, что обеспечивает ему гораздо более эффективную передачу энергии, чем широкополосное излучение ламп-вспышек. Диодные лазеры накачивают твердотельные лазеры и жидкие лазеры на красителях . Часто используется конструкция кольцевого лазера , особенно в лазерах на красителях. Кольцевой лазер использует три или более зеркал для отражения света по круговой траектории. Это помогает устранить стоячую волну, генерируемую большинством резонаторов Фабри-Перо , что приводит к лучшему использованию энергии усиливающей среды. [21]
Для возбуждения газовых лазеров можно использовать микроволны или радиочастотное электромагнитное излучение.
Лазер с солнечной накачкой использует солнечное излучение в качестве источника накачки. [22] [23]
Электрический тлеющий разряд распространен в газовых лазерах . Например, в гелий-неоновом лазере электроны из разряда сталкиваются с атомами гелия , возбуждая их. Возбужденные атомы гелия затем сталкиваются с атомами неона , передавая энергию. Это позволяет накапливать инверсную популяцию атомов неона.
Электрический ток обычно используется для накачки лазерных диодов и полупроводниковых кристаллических лазеров (например, германиевых [24] ).
Электронные пучки накачивают лазеры на свободных электронах и некоторые эксимерные лазеры .
Газодинамические лазеры построены с использованием сверхзвукового потока газов, таких как углекислый газ , для возбуждения молекул сверх порогового значения. Газ сжимается, а затем нагревается до 1400 кельвинов . Затем газу позволяют быстро расширяться через специально сформированные сопла до очень низкого давления. Это расширение происходит со сверхзвуковой скоростью, иногда достигающей 4 Маха . Горячий газ имеет много молекул в верхних возбужденных состояниях, в то время как гораздо больше находится в нижних состояниях. Быстрое расширение вызывает адиабатическое охлаждение , которое снижает температуру до 300 К. Это снижение температуры заставляет молекулы в верхних и нижних состояниях расслаблять свое равновесие до значения, которое более подходит для более низкой температуры. Однако молекулы в нижних состояниях расслабляются очень быстро, в то время как молекулам верхнего состояния требуется гораздо больше времени для релаксации. Поскольку в верхнем состоянии остается большое количество молекул, создается инверсия населенности, которая часто простирается на довольно большое расстояние вниз по потоку. С помощью динамических лазеров на диоксиде углерода были получены непрерывные выходные волны мощностью до 100 киловатт. [25]
Аналогичные методы сверхзвукового расширения используются для адиабатического охлаждения лазеров на оксиде углерода , которые затем накачиваются либо посредством химической реакции, либо электрической, либо радиочастотной накачки. Адиабатическое охлаждение заменяет громоздкое и дорогостоящее криогенное охлаждение жидким азотом, увеличивая эффективность лазера на оксиде углерода. Лазеры этого типа способны производить выходную мощность до гигаватта с эффективностью до 60%. [26]
Самоканалирование смещения заряда может привести к высокой концентрации энергии вдоль колонны, созданной и поддерживаемой пондеромоторным выталкиванием электронов. Канал также будет колоннировать более коротковолновое вторичное излучение и в конечном итоге чрезвычайно коротковолновую лазерную генерацию. [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [ 37] [38] [39] [40] [41]
Химическая реакция используется в качестве источника энергии в химических лазерах . Это позволяет достигать очень высоких выходных мощностей, которые трудно достичь другими способами.
Ядерное деление используется в экзотических лазерах с ядерной накачкой (NPL), напрямую использующих энергию быстрых нейтронов, высвобождаемых в ядерном реакторе . [42] [43]
В 1980-х годах военные США провели испытания рентгеновского лазера, накачиваемого ядерным оружием , однако результаты испытаний оказались неубедительными, и они больше не повторялись. [44] [45]