Напампоўка лазера

Напампоўка лазера — працэс перадачы энергіі знешняй крыніцы ў рабочае асяроддзе лазера. Паглынёная энергія пераводзіць рабочыя атамы асяроддзя ва ўзбуджаны стан. Калі колькасць такіх атамаў ва ўзбуджаным стане перавышае колькасць атамаў у асноўным стане, узнікае інверсія населенасці. У гэтым стане пачынае пераважаць механізм вымушанага выпраменьвання і пачынаецца лазерная генерацыя ці ж аптычнае ўзмацненне. Для гэтага магутнасць напампоўкі павінна перавышаць парог генерацыі лазера. Энергія напампоўкі можа перадавацца актыўнаму асяроддзю, у залежнасці ад віду апошняга, у выглядзе святла, электрычнага току, энергіі хімічнай ці ядзернай рэакцый, цеплавой ці механічнай энергіі.

 Фізіка працэсу 
злева|міні|275x275пкс|На малюнку: а — трохузроўневая і б — чатырохузроўневая схемы напампоўкі актыўнага асяроддзя лазера
Класічная трохузроўневая сістэма напампоўкі рабочага асяроддзя выкарыстоўваецца, напрыклад, у рубінавым лазеры. Рубін ставіць сабой крышталь карунду Al2O3, легіраваны невялікай колькасцю іонаў хрому Cr3+, якія і з'яўляюцца крыніцай лазернага выпраменьвання. Праз уплыў электрычнага поля крышталічнай рашоткі карунду знешні энергетычны ўзровень хрому E2 расшчэплены (гл. эфект Штарка). Менавіта гэта робіць магчымым выкарыстанне неманахраматычнага выпраменьвання для напампоўкі. Падчас гэтага іон пераходзіць з асноўнага стану з энергіяй E0 ва ўзбуджаны з энергіяй каля E2. У гэтым стане іон можа знаходзіцца параўнальна нядоўга (парадку 10−8 с), і амаль адразу адбываецца безвыпрамяняльны пераход на ўзровень E1, на якім іон можа знаходзіцца значна даўжэй (да 10−3 с), гэта так званы метастабільны ўзровень. Узнікае магчымасць ажыццяўлення індукаванага выпраменьвання пад уздзеяннем выпадковых фатонаў, якія выпраменьваюцца падчас спантанных пераходаў з узроўню E1 на ўзровень E0. Як толькі іонаў, якія знаходзяцца у метастабільным стане, робіцца больш, чым у асноўным, пачынаецца працэс генерацыі.

Варта адзначыць, што стварыць інверсію населенасцяў іонаў хрому Cr з дапамогай наўпроставай напампоўкі непасрэдна з узроўню E0 на ўзровень E1 немагчыма. Гэтае звязана з тым, што калі паглынанне і вымушанае выпраменьванне адбываюцца між двума ўзроўнямі, то абодва гэтыя працэсы адбываюцца з аднолькавай хуткасцю, г. зн. колькасць пераходаў "уверх" E0 ->E1 роўная колькасці вымушаных пераходаў "уніз" E1->E0. Таму напампоўка ў гэтым выпадку можа толькі зраўняць населенасці абодвух узроўняў, чаго недастаткова для ўзнікнення генерацыі.

У некаторых лазерах, напрыклад у неадымавым, генерацыя выпраменьвання ў якім адбываецца на іонах неадыму Nd3+, выкарыстоўваецца чатырохузроўневая схема напампоўкі. Тут між метастабільным E2 і асноўным узроўнем E0 маецца прамежкавы — рабочы ўзровень E1. Вымушанае выпраменьванне адбываецца пры пераходзе атама між узроўнямі E2 і E1. Перавага гэтай схемы заключаецца ў том, што ў гэтым выпадку лёгка выканаць умову інверснай населенасці, бо час жыцця верхняга рабочага ўзроўню (E2) на некалькі парадкаў большы за час жыцця ніжняга ўзроўню (E1), у выніку чаго атамы назапашваюцца на верхнім рабочым узроўні і хутка пакідаюць ніжні рабочы ўзровень. Гэта значна змяншае патрабаванні  да крыніцы напампоўкі. Акрамя таго, подобная схема дазваляе ствараць магутныя лазеры, што працуюць у бесперапынным рэжыме, што вельмі важна для некаторых ужыванняў. Аднак падобныя лазеры маюць істотны недахоп у выглядзе нізкага квантавага ККДз, які азначаецца як дзель энергіі выпрамененага фатона на энергію паглынутага фатона напампоўкі ((ηквантавое = hνвыпраменьвання/hνнапампоўкі)

 Аптычная напампоўка 
міні|Рубінавы лазер. Лямпы-успышкі злева і справа ад рубінавага стрыжня. Памеры стрыжня і лямп — 150 мм на Ø10 мм
міні|Розныя канструкцыі адбівальнікаў лазернай галоўкі з напампоўкай трубчастымі лямпамі
Аптычная напампоўка лазера вымагае наяўнасці крыніцы святла, аптычнай сістэмы для канцэнтрацыі гэтага святла на рабочым целе лазера і ўласна рабочага цела лазера. Тып лямпы і рабочага цела лазера павінны пасаваць адзін адному па спектрах выпраменьвання і паглынання, адпаведна. У якасці крыніцы святла звычайна ўжываюць:

 электралямпы з высокім ККДз (дугавыя, газаразрадныя (у тым ліку эксілямпы));
 паўправадніковыя крыніцы святла (святлодыёды ці іншыя лазеры);
 сонечнае святло;

Аптычная напампоўка лазера, як правіла, ажыццяўляецца у бакавым напрамку да рабочага асяроддзя лазера (т. зв. папярочная напампоўка), аднак магчымая таксама напампоўка з тарца рабочага асяроддзя праз люстэрка, празрыстае для выпраменьвання напампоўкі (т. зв. падоўжная напампоўка). Лазеры з аптычнай нарампоўкай часцей за ўсё цвердацельныя (у выглядзе стрыжня з крышталя ці актываванага дамешкамі шкла) ці лазеры на фарбавальніках (у выглядзе вадкага росчыну фарбавальніку ў шкляной трубцы ці цуркі росчыну фарбавальніку («папярочная пракачка»)). Для найэфектыўнейшага выкарыстання энергіі выпраменьвання лямпа і актыўнае асяроддзе знаходзяцца у паражніне з люстранай унутранай паверхняй, якая накіроўвае большую частку святла лямпы на рабочае асяроддзе. Для магутных лазераў з лямпавай напампоўкай прадугледжваюць вадкаснае ахалоджванне. Прыстасаванне, якое улучае люстраную паражніну, рабочае асяроддзе, лямпы накачкі і трубкі ахалоджання (пры наяўнасці), часам называюць квантронам.

Напампоўка лазера выпраменьваннем іншага лазера выкарыстоўваецца, калі спектр ці магутнасць выпраменьвання патрэбнага лазера не супадае з даступнымі лазерамі. У такім выпадку выбіраюць пару з дасяжнага лазера і рабочага цела. Лазер напампоўвае рабочае цела ў сваім спектры выпраменьвання, а рабочае цела выпрамяняе у патрэбным спектры. Такі лазер выступае своесаблівым ператворнікам даўжыні хвалі выпраменьвання. Да таго ж можна павялічыць магутнасць выпраменьвання, выкарыстоўваючы для напампоўкі рабочага цела некалькі менш магутных лазераў. Разнавіднасць такіх лазераў (цвердацельны лазер з дыёднай напампоўкай, DPSS) атрымала шырокае распаўсюджванне ў выглядзе лазерных указак разнастайных колераў. Напампоўка лазерам (а не звычайным святлодыёдам) спрашчае сістэму факусіроўкі выпраменьвання напампоўкі на рабочым целе, памяншаючы габарыты і павялічваючы ККДз канструкцыі. У прамысловасці  выкарыстоўваюцца магутныя валаконныя лазеры на аналагічным прынцыпе.

 Электрычная напампоўка 
Непасрэдная напампоўка лазераў электрычным токам ужываецца для двух тыпаў лазераў: газавых (электрычным разрадам у рабочым целе лазера) і паўправадніковых.

 У газавых лазерах 
міні|Газавы лазер з напампоўкай электрычным разрадам
Газавыя лазеры звычайна ставяць сабой шкляную трубку, запоўненую адмысловым газам ці сумессю газаў. Пад ударамі электронаў электрычнага току газавага разраду малекулы газа пераходзяць ва ўзбуджаны стан, выпускаючы атрыманую энергію ў выглядзе фатоннага выпраменьвання. Для ўзбуджэння рабочага асяроддзя такіх лазераў выкарыстоўваюцца тыя ж прыёмы, што й для падпальвання звычайных газаразрадных лямп:

 Стварэнне электрычнага разраду між электродамі, уведзенымі ў трубку.
 Распачынанне разраду ў газе высокачастотнымі токамі: індукцыйныA.M. Razhev, V.M. Mekhitarian, D.S. Churkin, and A.A. Zhupikov. Gas lasers excited by a pulsed inductive discharge, Proc. SPIE 6611, Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers, 66110G (12 April 2007)  і ёмкасны  метад.U. Kogelschatz, B. Eliasson, W. Egli. Dielectric-Barrier Discharges. Principle and Applications. Journal de Physique IV Colloque, 1997, 07 (C4), pp.C4-47-C4-66.Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. А.М. Бойченко, М.И. Ломаев,А.Н.  Панченко,  Э.А.  Соснин,  В.Ф.  Тарасенко.  –  Томск:  STT, 2011. – 512 с.
 Распачынанне разраду ў газе апраменьваннем СВЧ электрамагнітным полем.

 У паўправадніковых лазерах 
Паўправадніковы лазер — паўправадніковае прыстасаванне, непасрэдна ў структуры якога ўзнікае лазернае выпраменьванне пад дзеяннем электрычнага тока. Для гэтага класа лазераў напампоўка электрычным токам является асноўным метадам.

 Газадынамічная напампоўка 
міні|Газадынамічны лазер
Газадынамічны лазер складаецца з сапла, праз якое з звышгукавой хуткасцю (да 4 махаў) выходзіць перагрэты да паўтара тысяч градусаў газ. Імгненнае расшырэнне і адыябатычнае ахалоджванне газу пакідае ў газе значную колькасць малекул ва ўзбуджаным стане. Далей рабочае цела трапляе ў канструкцыю, аналагічную газавым лазерам, дзе узбуджаныя малекулы переходят у асноўны стан, удзельнічаючы ў вымушаным выпраменьванні. Часта канструкцыя такога лазера базуецца на авіяцыйных турбарэактыўных рухавіках ці ракетных рухавіках. Газадынамічны прынцып напампоўкі, нягледзячы на невысокі ККДз, можа даваць лазернае выпраменьванне звышвысокіх энергій (да мегаватаў) як у імпульсным, так і ў бесперапынным рэжыме.Газодинамический лазер - Физическая энциклопедияЛазерный гиперболоид: Супероружие «Газпрома» — Популярная механика Непрерывный газодинамический бортовой космический СО2 лазер РД0600б, ОАО "Конструкторское бюро химавтоматика"Газодинамический Лазерhttp://ganzfeld.narod.ru/laser/gasodinam.htm

 Хімічная напампоўка 
Лазеры з выкарыстаннем энергіі хімічнай рэакцыі — гэта разнавіднасць газавых лазераў, праз рабочую зону якіх бесперапынна пампуюцца газападобныя рэагенты. Падчас хімічнай реакции між рэагентамі ўтвараюцца малекулы ва ўзбуджаным стане, якія пераходзяць у асноўны стан з выпусканнем фатона. Газавыя лазеры могуць даваць вялікія магутнасці выпраменьвання, маючы адносна кампактныя памеры. Адна з праблем газавых лазераў — дрэнная экалагічнасць з прычыны моцнага таксічнага выхлапу.

 Ядравая напампоўка 
Энергія ядравага выбуха з'яўляецца найбольш экзатычным спосабам напампоўкі лазераў. Любое рэчыва ў эпіцэнтры выбуха пераўтвараецца ў плазму, якая, астываючы, ізноў утварае атамы, але ва ўзбуджаным стане. Калі з зыходнага рэчыва папярэдне вырабіць доўгі стрыжань, то ў ім у накірунку ўздоўж восі могуць утварыцца ўмовы для ўзнікнення вымушанага выпраменьвання, генеруемага ў выніку перахода атамаў у асноўны стан. Відавочна, што падобны лазер імпульсны і аднаразовы. Велізарная энергетыка вызначае рэнтгенаўскі дыяпазон выпраменьвання.

 Іншыя метады 
 Лазер на свабодных электронах — від лазера, выпраменьванне ў якім генеруецца монаэнергетычным пучком электронаў, што распаўсюджваюцца у андулятары — перыядычнай сістэме адхіляючых (электрычных ці магнітных) палёў.

 Крыніцы 

Катэгорыя:Лазерная фізіка
Катэгорыя:Лазеры