Что такое накачка в лазерах

НАКА́ЧКА

НАКА́ЧКА, пе­ре­да­ча энер­гии от внеш­не­го ис­точ­ни­ка в ак­тив­ную сре­ду ла­зе­ра с це­лью соз­да­ния не­рав­но­вес­но­го со­стоя­ния ве­ще­ст­ва и по­лу­че­ния ге­не­ра­ции из­лу­че­ния. Су­ще­ст­ву­ет неск. спо­со­бов Н.: оп­ти­че­ская – лам­па­ми или ла­зе­ра­ми, напр. в твер­до­тель­ных ла­зе­рах или ла­зе­рах на кра­си­те­лях; элек­три­че­ская – элек­трон­ным пуч­ком, то­ком ин­жек­ции в по­лу­про­вод­ни­ко­вых или га­зо­вых ла­зе­рах; с по­мо­щью хи­мич. ре­ак­ций – в хи­мич. ла­зе­рах; пу­тём адиа­ба­тич. ох­ла­ж­де­ния га­за, дви­жу­ще­го­ся со сверх­зву­ко­вой ско­ро­стью, – в га­зо­ди­на­мич. ла­зе­рах. Н. по­лу­про­вод­ни­ко­вых ла­зе­ров осу­ще­ст­в­ля­ют по­сто­ян­ным или им­пульс­ным то­ком, под дей­ст­ви­ем ко­то­ро­го но­си­те­ли за­ря­да ин­жек­ти­ру­ют­ся в зо­ну $p–n$ -пе­ре­хо­да так, что плот­ность за­ня­тых уров­ней вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти ста­но­вит­ся боль­ше их плот­но­сти вбли­зи по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. Др. спо­соб Н. по­лу­про­вод­ни­ко­вых ла­зе­ров – на­кач­ка элек­трон­ным пуч­ком с энер­ги­ей 10 3 –10 6 эВ, ио­ни­зую­щим объ­ём ак­тив­ной зо­ны до плот­но­сти элек­трон­но-ды­роч­ных пар, дос­та­точ­ной для ге­не­ра­ции из­лу­че­ния.

Накачка лазера

Накачка лазера — процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбуждённое состояние. Когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населённости. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера или же оптическое усиление. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Энергия накачки может предоставляться в виде света, электрического тока, энергии химической или ядерной реакций, тепловой или механической энергии.

Связанные понятия

Газовый ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии (в отличие от твёрдых тел в твердотельных лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Электронная пушка, электронный прожектор — устройство, с помощью которого получают пучок электронов с заданной кинетической энергией и заданной конфигурации. Чаще всего используется в кинескопах и других электронно-лучевых трубках, СВЧ-приборах (например в лампах бегущей волны), а также в различных приборах таких как электронные микроскопы и ускорители заряженных частиц.

Гиротрон — электровакуумный СВЧ-генератор, представляющий собой разновидность мазера на циклотронном резонансе. Источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле. Излучение генерируется на частоте, равной циклотронной, в резонаторе с критической частотой, близкой к генерируемой. Гиротрон был изобретён в Советском Союзе в НИРФИ в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород).

Твердоте́льный ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Электронная эмиссия — явление испускания электронов из твёрдых тел или жидкостей.

Упоминания в литературе

Импульсные лампы с ксеноновым наполнением обеспечивают энергию разряда от единиц до десятков килоджоулей, среднюю мощность до нескольких киловатт и световую отдачу 15–60 лм/Вт. Применяются для накачки лазеров , в импульсных фотовспышках, а также для световой сигнализации, оптической локации и т. д.

Связанные понятия (продолжение)

Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Вакуумные электронные приборы — один из типов электровакуумных приборов. Главная особенность приборов данного типа — движение электронов происходит в вакууме.

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между локализованными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется.

Рентге́новская тру́бка — электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан советским изобретателем Л. А. Кубецким в 1930—1934 гг.

Химические лазеры — разновидность газовых лазеров, в которых источником энергии служат химические реакции между компонентами рабочей среды. Химические лазеры непрерывного действия могут достигать высокого уровня мощности и используются в промышленности для резки и создания отверстий.

Фотопроводи́мость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения, такого как видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение.

Лазеры на красителях — лазеры, использующие в качестве активной среды органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов).

Опти́ческий разря́д — вид высокочастотного разряда в газах, наблюдающегося для частот излучения, лежащих в оптическом диапазоне. Обычно оптические разряды инициируются мощным лазерным излучением. Различают два основных вида оптических разрядов: оптический пробой (или лазерная искра) и непрерывный оптический разряд.

Реактивное ионное травление (РИТ) — технология травления, используемая в микроэлектронике. Химически активная плазма используется для удаления материала с подложки. Плазма создаётся при низком давлении при помощи газового разряда. Поступающие из плазмы ионы ускоряются за счёт разности потенциалов между ней и подложкой. Совместное действие химических реакций, ионного распыления и ионной активации приводит к разрушению материала подложки, образованию летучих соединений и десорбции их с поверхности.

Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов).

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Уда́рная иониза́ция — физическая модель, описывающая ионизацию атома при «ударе о него» электрона или другой заряженной частицы — например, позитрона, иона или «дырки». Явление может наблюдаться как в газах, так и в твёрдых телах (в частности, в полупроводниках).

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

Тунне́льный дио́д — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Тле́ющий разря́д — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока переходит в дуговой разряд.

Ио́нное распыле́ние — эмиссия атомов с поверхности твёрдого тела при его бомбардировке тяжёлыми заряженными или нейтральными частицами. В случае, когда речь идёт о бомбардировке отрицательно заряженного электрода (катода) положительными ионами, используется также термин «катодное распыление».

Кольцево́й резона́тор — оптический резонатор, в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал, ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение в лазерных гироскопах и лазерах. В волоконных лазерах применяют специальные конструкции волоконных кольцевых резонаторов, обычно имеющих вид замкнутого в кольцо оптического.

Са́зер (англ. saser, сокр. от Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation, также называется звуковым, фононным или акустическим лазером) — генератор когерентных звуковых волн определённой частоты. Обычно частота излучения сазера лежит в области от нескольких МГц до 1 ТГц.

Микрокана́льные пласти́ны (МКП) — вид изделий вакуумной микроэлектроники. Предназначены для работы в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений. Основное применение — преобразователь и усилитель яркости изображения индивидуальных приборов ночного видения.

Динатронный эффект в электронных лампах — «переход электронов вторичной эмиссии на другой электрод». Бомбардировка анода лампы электронами высокой энергии выбивает из анода электроны вторичной эмиссии. Если при этом на другой электрод (например, экранирующую сетку тетрода) подали потенциал, превышающий потенциал анода, то вторичные электроны не возвращаются на анод, а притягиваются к другому электроду. Ток анодной нагрузки падает, ток другого электрода возрастает. В тетродах динатронный эффект порождает.

Дио́д Га́нна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, в полупроводниковой структуре не имеет p-n-переходов и используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц.

Работа выхода — энергия (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают.

Инжекция горячих носителей (англ. Hot-carrier injection) — это явление в устройствах твердотельной электроники, при котором электрон, или дырка получает достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, что необходимо для смены состояния. Термин «горячий» указывает на эффективную температуру, используемую для моделирования плотности носителей, и не относится к температуре устройства. Так как носители заряда могут быть пойманы затвором диэлектрика МОП-транзистора, то переключение.

Объёмный резона́тор — устройство, основанное на явлении резонанса, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определённых длинах волн добротных колебаний в виде бегущей или стоячей волны.

Фотолюминесце́нтная спектроскопи́я — вид оптической спектроскопии, основанный на измерении спектра электромагнитного излучения, испущенного в результате явления фотолюминесценции, вызванного в изучаемом образце, посредством возбуждения его светом. Один из основных экспериментальных методов изучения оптических свойств материалов, и в особенности полупроводниковых микро- и наноструктур.

Сильноточный импульсный ускоритель ионов. Основная задача — формирование и ускорение пучков ионов высокой плотности.

Ла́зерное ускоре́ние электро́нов — процесс ускорения электронного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Возможно как ускорение непосредственно электромагнитным излучением в вакууме или в специальных диэлектрических структурах, так и опосредованное ускорение в ленгмюровской волне, возбуждаемой лазерным импульсом, распространяющимся в плазме низкой плотности. Данным методом экспериментально получены пучки электронов с энергиями, превышающими 8 ГэВ.

Пространственный заряд — распределённый нескомпенсированный электрический заряд одного знака. Пространственные заряды возникают в вакуумных и газоразрядных лампах в пространстве между электродами, а также в неоднородных областях полупроводниковых приборов, и сильно влияют на прохождение тока через эти области, приводя к нелинейным вольт-амперным характеристикам таких приборов.

Антимони́д и́ндия — кристаллическое бинарное неорганическое химическое соединение, соединение индия и сурьмы. Химическая формула InSb.

Индукционная лампа — безэлектродная газоразрядная лампа, в которой первичным источником света служит плазма, возникающая в результате ионизации газа высокочастотным магнитным полем. Для создания магнитного поля баллон с газом лампы размещают рядом с катушкой индуктивности. Отсутствие прямого контакта электродов с газовой плазмой позволяет назвать лампу безэлектродной. Отсутствие металлических электродов внутри баллона с газом значительно увеличивает срок службы и улучшает стабильность параметров.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 101000 до 1012—1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.

Резона́тор Фабри́ — Перо́ — является основным видом оптического резонатора и представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. В лазерах одно из зеркал делается обычно более пропускающим для преимущественного вывода излучения в этом направлении.

Электрический пробой — явление резкого возрастания силы тока в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) или воздухе, возникающее при приложении напряжения выше критического (напряжение пробоя). Пробой может происходить в течение очень короткого времени (до 10-8 с) или установиться на длительное время (например, дуговой разряд в газах). В твёрдых телах различают три механизма пробоя.

Инжекция — физическое явление, наблюдаемое в полупроводниковых или гетеропереходах, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных («инжектированных») носителей заряда. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения.

Электро́нная литогра́фия или электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость.

Подвижность носителей заряда — коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей и приложенным внешним электрическим полем. Определяет способность электронов и дырок в металлах и полупроводниках реагировать на внешнее воздействие. Размерность подвижности м2/(В·с) или см2/(В·с). Фактически подвижность численно равна средней скорости носителей заряда при напряженности электрического поля в 1 В/м. Стоит заметить, что мгновенная скорость может быть много больше дрейфовой. Понятие подвижности.

Ионизацио́нный калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике — прибор, который измеряет энергию частиц. Большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии. Вторичные частицы образуют ливень, который поглощается в объёме калориметра и его энергия измеряется с помощью полупроводниковых, ионизационных детекторов, пропорциональных камер, детекторов черенковского.

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — внедрение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Индукти́вно-свя́занная пла́зма (ИСП), англ. inductively coupled plasma, ICP — плазма, образующаяся внутри разрядной камеры, горелки или иного плазменного реактора при приложении высокочастотного переменного магнитного поля.

Электрова́куумный прибо́р — устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

Генерация второй гармоники — явление рождения вторичных электромагнитных волн удвоенной частоты в результате нелинейного взаимодействия электромагнитной волны с веществом.

Электровакуумный диод — вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления.

Накачка лазера

Накачка лазера — процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбуждённое состояние. Когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населённости. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера или же оптическое усиление. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Энергия накачки может предоставляться в виде света, электрического тока, энергии химической или ядерной реакций, тепловой или механической энергии.

Физика процесса

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E₂ расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. [1] При этом атом переходит из основного состояния с энергией E₀ в возбуждённое с энергией около E₂. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E₁, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии, становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации [2] [3] .

Создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E₀ на уровень E₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации [1] .

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E₂ и основным уровнем E₀ имеется промежуточный — рабочий уровень E₁. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E₂ и E₁. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E₂) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E₁). Это значительно снижает требования к источнику накачки. [2] Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. [4] Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η_{квантовое} = hν_{излучения}/hν_{накачки})

Оптическая накачка

Оптическая накачка лазера подразумевает наличие источника света, оптической системы для концентрации этого света на рабочем теле лазера и собственно рабочего тела лазера. Тип лампы и рабочее тело лазера должны подходить друг другу по спектрам излучения и поглощения, соответственно. В качестве источника света обычно применяют:

• электролампы с высоким КПД (дуговые, газоразрядные (в том числе эксилампы));
• полупроводниковые источники света (светодиоды или другие лазеры);
• солнечный свет;

Оптическая накачка лазера, как правило, производится с боковой стороны рабочей среды лазера. Лазеры чаще всего твердотельные (представлены в виде стержня из кристалла или активированного примесями стекла) или лазеры на красителях (в виде жидкого раствора красителя в стеклянной трубке или струи раствора красителя («поперечная прокачка»)). Для наиболее эффективного использования энергии излучения лампа и активная среда находятся в полости с зеркальной поверхностью, которая направляет бо́льшую часть света лампы на рабочую среду. Для мощных лазеров с ламповой накачкой предусматривается жидкостное охлаждение. Полупроводниковые светоизлучающие приборы монтируются на теплоотводе.

Накачка лазера излучением другого лазера применяется, когда спектр или мощность излучения требуемого лазера не совпадает с доступными лазерами. В таком случае подбирается пара из доступного лазера и рабочего тела. Лазер освещает рабочее тело в своем спектре излучения, а рабочее тело излучает в требуемом спектре. Мощность излучения увеличивают, облучая рабочее тело несколькими маломощными лазерами. Разновидность таких лазеров (твердотельный лазер с диодной накачкой, англ. DPSS ) получила широкое распространение в виде лазерных указок разнообразных цветов. Накачка лазером (а не обычным светодиодом) упрощает систему фокусировки излучения накачки на рабочем теле, уменьшая габариты и увеличивая КПД конструкции. В промышленности распространены мощные волоконные лазеры на аналогичном принципе.

Электрическая накачка

Непосредственная накачка лазеров электрическим током проработана для двух типов лазеров: газовых (электрическим разрядом в рабочем теле лазера) и полупроводниковых.

В газовых лазерах

Газовые лазеры обычно представляют собой стеклянную трубку, заполненную специальным газом или смесью газов. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения. Для возбуждения рабочей среды таких лазеров используются те же приемы, что и для поджига обычных газоразрядных ламп: Создание электрического разряда между электродами, введенными в трубку.

• Возбуждение разряда в газе высокочастотными токами: индукционный[5] и емкостный[6][7] метод.
• Возбуждение разряда в газе облучением СВЧ электромагнитным полем.

В полупроводниковых лазерах

Полупроводниковый лазер — полупроводниковый прибор, непосредственно в структуре которого возникает лазерное излучение под действием электрического тока. Для этого класса лазеров накачка электрическим током является основным методом.

Газодинамическая накачка

Основная статья: Газодинамический лазер

Газодинамический лазер состоит из сопла, через которое со сверхзвуковой скоростью (до 4 махов) выходит перегретый до полутора тысяч градусов газ. Мгновенное расширение и адиабатическое охлаждение газа оставляет в газе значительное количество молекул в возбужденном состоянии. Далее рабочее тело попадает в конструкцию, аналогичную газовым лазерам, где возбужденные молекулы переходят в основное состояние, участвуя в вынужденном излучении. Зачастую конструкция такого лазера основана на авиационных турбореактивных двигателях или ракетных двигателях. Газодинамический принцип накачки, несмотря на невысокий КПД, может давать лазерное излучение сверхвысоких энергий (до мегаватт) как в импульсном, так и в непрерывном режимах. [8] [9] [10] [11] [12]

Химическая накачка

Лазеры с использованием энергии химической реакции — это разновидность газовых лазеров, через рабочую зону которых непрерывно прокачивают газообразные реагенты. При химической реакции между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии, переходящие в основное состояние с испусканием фотона. Газовые лазеры могут давать большие мощности излучения при относительно компактных размерах. Одна из проблем газовых лазеров — плохая экологичность вследствие обильного токсичного выхлопа.

Ядерная накачка

Основная статья: Лазер с ядерной накачкой

Энергия ядерного взрыва является наиболее экзотическим способом накачки лазеров. Любое вещество в эпицентре взрыва превращается в плазму, которая, остывая, вновь образует атомы, но уже возбужденные. Если из исходного вещества предварительно изготовить длинный стержень, то в нём в направлении вдоль оси могут сформироваться условия для возникновения вынужденного излучения, генерируемого в результате перехода атомов в основное состояние. Очевидно, что подобный лазер импульсный и одноразовый. Огромная энергетика предопределяет рентгеновский диапазон излучения.

Другие методы

• Лазер на свободных электронах — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей.

См. также

• Устройство лазера
• Твердотельный лазер с диодной накачкой
• Волоконный лазер
• Гелий-неоновый лазер

Лазерная накачка — Laser pumping

Механизм питания лазеров 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..

• 1 Оптическая накачка
  • 1.1 Полости накачки
  • 1.2 Накачка импульсной лампой
  • 1.3 Накачка дуговой лампой
  • 1.4 Внешняя накачка лазера
  • 1.5 Другие методы оптической накачки

  Оптическая накачка

  Полости накачки

  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.

  Лампы накачки

  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.

  Накачка дуговой лампой

  

  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.

  Внешняя накачка лазера

  

  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.

  Другие методы оптической накачки

  Микроволны или радиочастотное ЭМ излучение можно использовать для возбуждения газовых лазеров.

  A лазер с солнечной накачкой использует солнечное излучение в качестве источника накачки.

  Электрическая накачка

  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)

  газодинамическая накачка

  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%.

  Другие типы

  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.

  См. Также

  Похожие публикации:

  1. Как спрятать блок питания светодиодной ленты
  2. Какой стороной кожи правят ножи
  3. Какой шланг для дренажного насоса лучше выбрать
  4. Сколько потребляет дом киловатт в месяц