Bombeamento a laser - Laser pumping
O bombeamento a laser é o ato de transferência de energia de uma fonte externa para o meio de ganho de um laser . A energia é absorvida no meio, produzindo estados excitados em seus átomos. Quando o número de partículas em um estado excitado excede o número de partículas no estado fundamental ou em um estado menos excitado, a inversão da população é alcançada. Nessa condição, pode ocorrer o mecanismo de emissão estimulada e o meio pode atuar como laser ou amplificador óptico . A potência da bomba deve ser superior ao limite de laser do laser.
A energia da bomba é normalmente fornecida na forma de luz ou corrente elétrica , mas fontes mais exóticas têm sido usadas, como reações químicas ou nucleares .
Bombeamento ótico
Cavidades de bombeamento
Um laser bombeado com uma lâmpada de arco ou uma lâmpada de flash é geralmente bombeado através da parede lateral do meio de laser, que geralmente está na forma de uma haste de cristal contendo uma impureza metálica ou um tubo de vidro contendo um corante líquido, em uma condição conhecida como "bombeamento lateral". Para usar a energia da lâmpada de forma mais eficiente, as lâmpadas e o meio laser estão contidos em uma cavidade reflexiva que redirecionará a maior parte da energia da lâmpada para a haste ou célula de tinta.
Na configuração mais comum, o meio de ganho tem a forma de uma haste localizada em um foco de uma cavidade espelhada, consistindo em uma seção transversal elíptica perpendicular ao eixo da haste. A lanterna é um tubo localizado no outro foco da elipse. Freqüentemente, o revestimento do espelho é escolhido para refletir comprimentos de onda mais curtos do que a saída do laser, enquanto absorve ou transmite comprimentos de onda iguais ou mais longos, para minimizar o efeito de lente térmica . Em outros casos, um absorvedor para comprimentos de onda mais longos é usado. Freqüentemente, a lâmpada é envolvida por uma camisa cilíndrica chamada tubo de fluxo. Este tubo de fluxo é geralmente feito de um vidro que absorve comprimentos de onda inadequados, como ultravioleta, ou fornece um caminho para a água de resfriamento que absorve infravermelho. Freqüentemente, a jaqueta recebe um revestimento dielétrico que reflete comprimentos de onda inadequados de luz de volta para a lâmpada. Essa luz é absorvida e parte dela é reemitida em comprimentos de onda adequados. O tubo de fluxo também serve para proteger a haste em caso de falha violenta da lâmpada.
Elipses menores criam menos reflexos (uma condição chamada "acoplamento próximo"), dando maior intensidade no centro da haste. Para uma única lanterna, se a lâmpada e a haste tiverem o mesmo diâmetro, uma elipse com o dobro da largura e a altura geralmente é a mais eficiente na geração de imagens da luz na haste. A haste e a lâmpada são relativamente longas para minimizar o efeito das perdas nas faces finais e para fornecer um comprimento suficiente de meio de ganho. As lâmpadas de flash mais longas também são mais eficientes na transferência de energia elétrica para a luz, devido à impedância mais alta . No entanto, se a haste for muito longa em relação ao seu diâmetro, pode ocorrer uma condição chamada "pré-revestimento", esgotando a energia da haste antes que ela possa se acumular adequadamente. As extremidades das hastes costumam ser revestidas com antirreflexo ou cortadas no ângulo de Brewster para minimizar esse efeito. Espelhos planos também são freqüentemente usados nas extremidades da cavidade da bomba para reduzir a perda.
Variações neste design usam espelhos mais complexos compostos de formas elípticas sobrepostas, para permitir que várias lâmpadas de flash bombeiem uma única haste. Isso permite maior potência, mas é menos eficiente porque nem toda a luz é capturada corretamente na haste, levando a perdas térmicas aumentadas. Essas perdas podem ser minimizadas usando uma cavidade de acoplamento fechado. Esta abordagem pode permitir um bombeamento mais simétrico, aumentando a qualidade do feixe, no entanto.
Outra configuração usa uma haste e uma lâmpada de flash em uma cavidade feita de um material refletivo difuso , como o espectralon ou sulfato de bário em pó . Essas cavidades costumam ser circulares ou oblongas, pois focar a luz não é o objetivo principal. Isso não acopla a luz também ao meio laser, uma vez que a luz faz muitos reflexos antes de chegar à haste, mas geralmente requer menos manutenção do que os refletores metalizados. O aumento do número de reflexos é compensado pela maior refletividade do meio difuso: 99% em comparação com 97% para um espelho de ouro. Esta abordagem é mais compatível com hastes não polidas ou lâmpadas múltiplas.
Os modos parasitários ocorrem quando as reflexões são geradas em direções diferentes do comprimento da haste, o que pode consumir a energia que, de outra forma, estaria disponível para o feixe. Isso pode ser um problema específico se o cano da haste for polido. As hastes de laser cilíndricas suportam modos de galeria sussurrantes devido à reflexão interna total entre a haste e a água de resfriamento, que refletem continuamente ao redor da circunferência da haste. Os modos de tubo de luz podem refletir ao longo do comprimento da haste em um caminho em zigue-zague. Se o bastão tiver um revestimento anti-reflexo ou estiver imerso em um fluido que corresponda ao seu índice de refração , ele pode reduzir drasticamente esses reflexos parasitas. Da mesma forma, se o cano da haste for um solo áspero (fosco) ou ranhurado, os reflexos internos podem ser dispersos.
Bombear com uma única lâmpada tende a concentrar a maior parte da energia em um lado, piorando o perfil do feixe. É comum que as hastes tenham um cilindro fosco, para difundir a luz, proporcionando uma distribuição mais uniforme da luz por toda a haste. Isso permite mais absorção de energia em todo o meio de ganho para um melhor modo transversal . Um tubo de fluxo fosco ou refletor difuso, embora leve à redução da eficiência de transferência, ajuda a aumentar esse efeito, melhorando o ganho .
Os materiais hospedeiros do laser são escolhidos para ter uma baixa absorção; apenas o dopante é absorvido. Portanto, qualquer luz em frequências não absorvidas pelo doping voltará para a lâmpada e reaquecerá o plasma, encurtando a vida útil da lâmpada.
Flashlamp bombeando
As lanternas foram a primeira fonte de energia para lasers. Eles são usados para altas energias pulsadas em lasers de estado sólido e de corante. Eles produzem um amplo espectro de luz, fazendo com que a maior parte da energia seja desperdiçada como calor no meio de ganho. As lanternas também tendem a ter uma vida útil curta. O primeiro laser consistia em uma lâmpada helicoidal envolvendo uma haste de rubi.
As lâmpadas de quartzo são o tipo mais comum usado em lasers e, com baixas energias ou altas taxas de repetição, podem operar em temperaturas de até 900 ° C. Potências médias mais altas ou taxas de repetição requerem resfriamento com água. A água geralmente tem que passar não apenas pelo comprimento do arco da lâmpada, mas também pela porção do eletrodo do vidro. As lâmpadas de flash resfriadas a água são geralmente fabricadas com o vidro encolhido ao redor do eletrodo para permitir o resfriamento direto do tungstênio . Se o eletrodo esquentar muito mais do que o vidro, a expansão térmica pode rachar a vedação.
A vida útil da lâmpada depende principalmente do regime de energia usado para a lâmpada em particular. Baixas energias dão origem à pulverização catódica , que pode remover material do cátodo e redepositá-lo no vidro, criando uma aparência escurecida e espelhada. A expectativa de vida com baixas energias pode ser bastante imprevisível. Altas energias causam ablação da parede , o que não só dá ao vidro uma aparência turva, mas também o enfraquece estruturalmente e libera oxigênio , afetando a pressão, mas nesses níveis de energia a expectativa de vida pode ser calculada com bastante precisão.
A duração do pulso também pode afetar a vida útil. Pulsos muito longos podem retirar grandes quantidades de material do cátodo, depositando-o nas paredes. Com durações de pulso muito curtas, deve-se tomar cuidado para garantir que o arco esteja centralizado na lâmpada, longe do vidro, evitando ablação séria da parede. O disparo externo geralmente não é recomendado para pulsos curtos. O disparo de tensão Simmer é geralmente usado para descargas extremamente rápidas, como são usados em lasers de tinta, e muitas vezes combinam isso com uma "técnica de pré-pulso", onde um pequeno flash é iniciado apenas milissegundos antes do flash principal, para pré-aquecer o gás por um tempo de subida mais rápido .
Os lasers de tinta às vezes usam "bombeamento axial", que consiste em uma lâmpada de flash oca em formato anular, com o envelope externo espelhado para refletir a luz adequada de volta para o centro. A célula de corante é colocada no meio, proporcionando uma distribuição mais uniforme do bombeamento de luz e uma transferência mais eficiente de energia. A lâmpada de flash oca também tem indutância mais baixa do que uma lâmpada de flash normal, o que fornece uma descarga de flash mais curta. Raramente, um design "coaxial" é usado para lasers de tinta, que consiste em uma lâmpada de flash normal cercada por uma célula de tinta em forma anular. Isso fornece melhor eficiência de transferência, eliminando a necessidade de um refletor, mas as perdas por difração causam um ganho menor.
O espectro de saída de uma lâmpada de flash é principalmente um produto de sua densidade de corrente . Depois de determinar a "energia de explosão" para a duração do pulso (a quantidade de energia que irá destruí-lo em um a dez flashes) e escolher um nível de energia seguro para operação, o equilíbrio de tensão e capacitância pode ser ajustado para centralizar a saída em qualquer lugar do infravermelho próximo ao ultravioleta distante. Baixas densidades de corrente resultam do uso de tensão muito alta e corrente baixa. Isso produz linhas espectrais ampliadas com a saída centralizada no infravermelho próximo e é melhor para bombear lasers infravermelhos, como Nd: YAG e érbio: YAG . Densidades de corrente mais altas ampliam as linhas espectrais até o ponto onde elas começam a se misturar e a emissão contínua é produzida. Comprimentos de onda mais longos atingem níveis de saturação em densidades de corrente mais baixas do que comprimentos de onda mais curtos, de modo que à medida que a corrente aumenta, o centro de saída se desloca em direção ao espectro visual, que é melhor para bombear lasers de luz visível, como o rubi . Nesse ponto, o gás se torna quase um " radiador de corpo cinza " ideal . Mesmo densidades de corrente mais altas produzirão radiação de corpo negro , centralizando a saída no ultravioleta.
O xenônio é amplamente usado por causa de sua boa eficiência, embora o criptônio seja frequentemente usado para bombear barras de laser dopadas com neodímio . Isso ocorre porque as linhas espectrais na faixa próxima ao infravermelho correspondem melhor às linhas de absorção do neodímio, dando ao criptônio uma melhor eficiência de transferência, embora sua potência geral seja menor. Isso é especialmente eficaz com Nd: YAG, que tem um perfil de absorção estreito. Bombeados com criptônio, esses lasers podem atingir até duas vezes a potência de saída obtida com o xenônio. A emissão da linha espectral é normalmente escolhida ao bombear Nd: YAG com criptônio, mas como todas as linhas espectrais do xenônio perdem as bandas de absorção de Nd: YAG, ao bombear com xenônio a emissão contínua é usada.
Bombeamento de lâmpada de arco
Lâmpadas de arco são usadas para bombear hastes que podem suportar operação contínua e podem ser feitas de qualquer tamanho e potência. Lâmpadas de arco típicas operam em uma tensão alta o suficiente para manter o nível de corrente certo para o qual a lâmpada foi projetada para operar. Geralmente, está na faixa de 10 a 50 amperes. Devido às suas pressões muito altas, as lâmpadas de arco requerem circuitos especialmente projetados para a inicialização ou "acendimento" do arco. O golpe geralmente ocorre em três fases. Na fase de disparo, um pulso de tensão extremamente alta do transformador de "disparo em série" cria um streamer de faísca entre os eletrodos, mas a impedância é muito alta para a tensão principal assumir. Uma fase de "tensão de reforço" é então iniciada, onde uma tensão maior que a queda de tensão entre os eletrodos é conduzida através da lâmpada, até que o gás seja aquecido a um estado de plasma . Quando a impedância se torna baixa o suficiente, a fase de "controle de corrente" assume, onde a tensão principal começa a conduzir a corrente a um nível estável.
O bombeamento da lâmpada de arco ocorre em uma cavidade semelhante a uma lâmpada bombeada a laser, com uma haste e uma ou mais lâmpadas em uma cavidade refletora. A forma exata da cavidade geralmente depende de quantas lâmpadas são usadas. A principal diferença está no resfriamento. As lâmpadas de arco precisam ser resfriadas com água, garantindo que a água passe além do vidro e também entre os conectores do eletrodo. Isso requer o uso de água deionizada com resistividade de pelo menos 200 kilohms, para evitar curto-circuito e corrosão dos eletrodos por eletrólise . A água é normalmente canalizada através de um tubo de fluxo a uma taxa de 4 a 10 litros por minuto.
Lâmpadas de arco vêm em quase todos os tipos de gases nobres , incluindo xenônio , criptônio , argônio , néon e hélio , que emitem linhas espectrais que são muito específicas para o gás. O espectro de saída de uma lâmpada de arco depende principalmente do tipo de gás, sendo as linhas espectrais de banda estreita muito semelhantes a uma lâmpada de flash operada em baixas densidades de corrente. A saída é mais alta no infravermelho próximo e geralmente são usados para bombear lasers infravermelhos, como Nd: YAG.
Bombeamento de laser externo
Um laser de um tipo adequado pode ser usado para bombear outro laser. O espectro estreito do laser da bomba permite que ele seja compatível com as linhas de absorção da mídia laser, proporcionando uma transferência de energia muito mais eficiente do que a emissão de banda larga de lâmpadas de flash. Os lasers de diodo bombeiam lasers de estado sólido e lasers de corante líquido . Um desenho de laser de anel é freqüentemente usado, especialmente em lasers de tinta. O laser de anel usa três ou mais espelhos para refletir a luz em um caminho circular. Isso ajuda a eliminar a onda estacionária gerada pela maioria dos ressonadores Fabry-Pérot , levando a um melhor uso da energia do meio de ganho.
Outros métodos de bombeamento óptico
Microondas ou radiação EM de radiofrequência podem ser usadas para excitar os lasers de gás.
Um laser bombeado com energia solar usa radiação solar como fonte de bombeamento.
Bombeamento elétrico
A descarga de brilho elétrico é comum em lasers de gás . Por exemplo, no laser de hélio-néon, os elétrons da descarga colidem com os átomos de hélio , excitando-os. Os átomos de hélio excitados então colidem com átomos de néon , transferindo energia. Isso permite que uma população inversa de átomos de neon se acumule.
A corrente elétrica é normalmente usada para bombear diodos de laser e lasers de cristal semicondutor (por exemplo, germânio)
Feixes de elétrons bombeiam lasers de elétrons livres e alguns lasers de excimer .
Bombeamento dinâmico de gás
Lasers dinâmicos de gás são construídos usando o fluxo supersônico de gases, como dióxido de carbono , para excitar as moléculas além do limite. O gás é pressurizado e então aquecido até 1400 kelvins . O gás pode então expandir-se rapidamente através de bocais de formato especial até uma pressão muito baixa. Essa expansão ocorre em velocidades supersônicas, às vezes tão altas quanto mach 4 . O gás quente tem muitas moléculas nos estados excitados superiores, enquanto muitas mais estão nos estados inferiores. A rápida expansão causa resfriamento adiabático , que reduz a temperatura para tão baixo quanto 300 K. Essa redução na temperatura faz com que as moléculas nos estados superior e inferior relaxem seu equilíbrio para um valor que é mais apropriado para a temperatura inferior. No entanto, as moléculas nos estados inferiores relaxam muito rapidamente, enquanto as moléculas do estado superior demoram muito mais para relaxar. Uma vez que uma boa quantidade de moléculas permanece no estado superior, é criada uma inversão populacional, que freqüentemente se estende por uma grande distância rio abaixo. Saídas de ondas contínuas de até 100 quilowatts foram obtidas a partir de lasers dinâmicos de dióxido de carbono.
Métodos semelhantes de expansão supersônica são usados para resfriar adiabaticamente os lasers de monóxido de carbono , que são bombeados por reação química, elétrica ou de radiofrequência . O resfriamento adiabático substitui o resfriamento criogênico volumoso e caro por nitrogênio líquido, aumentando a eficiência do laser de monóxido de carbono. Lasers desse tipo são capazes de produzir saídas de até um gigawatt, com eficiências de até 60%.
Outros tipos
A autocanalização por deslocamento de carga pode dar origem a uma alta concentração de energia ao longo de uma coluna criada e mantida pela expulsão ponderomotiva de elétrons. O canal também irá colunar radiação secundária de comprimento de onda mais curto e, finalmente, laser de comprimento de onda extremamente curto.
A reação química é usada como fonte de energia em lasers químicos . Isso permite potências de saída muito altas, difíceis de alcançar por outros meios.
A fissão nuclear é usada em lasers nucleares exóticos (NPL), empregando diretamente a energia dos nêutrons rápidos liberados em um reator nuclear .
Os militares dos Estados Unidos testaram um laser de raios X bombeado por uma arma nuclear na década de 1980, mas os resultados do teste foram inconclusivos e não foram repetidos.