Bombeo láser

Un láser alimentado con una lámpara de arco o una lámpara de destellos generalmente se bombea a través de la pared lateral del medio láser, que suele tener la forma de una varilla de cristal que contiene una impureza metálica o un tubo de vidrio que contiene un tinte líquido, en una condición conocida como "bombeo lateral". Para aprovechar al máximo la energía de la lámpara, tanto la lámpara como el medio láser se encuentran dentro de una cavidad reflectante que redirige la mayor parte de la energía de la lámpara hacia la varilla o la celda de tinte.

En la configuración más común, el medio de ganancia consiste en una varilla ubicada en uno de los focos de una cavidad espejada, con una sección transversal elíptica perpendicular al eje de la varilla. La lámpara de destello es un tubo ubicado en el otro foco de la elipse. A menudo, el recubrimiento del espejo se elige para reflejar longitudes de onda más cortas que la salida láser, absorbiendo o transmitiendo longitudes de onda iguales o más largas, para minimizar el efecto de lente térmica . En otros casos, se utiliza un absorbedor para las longitudes de onda más largas. Con frecuencia, la lámpara está rodeada por una cubierta cilíndrica llamada tubo de flujo. Este tubo de flujo suele estar hecho de un vidrio que absorbe longitudes de onda no deseadas, como la ultravioleta, o que sirve de conducto para el agua de refrigeración, la cual absorbe la infrarroja. A menudo, la cubierta lleva un recubrimiento dieléctrico que refleja las longitudes de onda no deseadas de vuelta a la lámpara. Esta luz se absorbe y parte de ella se reemite en longitudes de onda adecuadas. El tubo de flujo también protege la varilla en caso de una falla repentina de la lámpara.

Las elipses más pequeñas crean menos reflexiones (una condición llamada "acoplamiento cercano"), lo que da mayor intensidad en el centro de la varilla. ^{[ 1 ]} Para una sola lámpara de destello, si la lámpara y la varilla tienen el mismo diámetro, una elipse que es el doble de ancha que de alta suele ser la más eficiente para proyectar la luz en la varilla. La varilla y la lámpara son relativamente largas para minimizar el efecto de las pérdidas en las caras extremas y para proporcionar una longitud suficiente de medio de ganancia. Las lámparas de destello más largas también son más eficientes en la transferencia de energía eléctrica a luz, debido a una mayor impedancia . ^{[ 2 ]} Sin embargo, si la varilla es demasiado larga en relación con su diámetro, puede ocurrir una condición llamada "preláser", que agota la energía de la varilla antes de que pueda acumularse adecuadamente. ^{[ 3 ]} Los extremos de las varillas a menudo se recubren con un antirreflectante o se cortan en el ángulo de Brewster para minimizar este efecto. ^{[ 4 ]} También se suelen utilizar espejos planos en los extremos de la cavidad de bombeo para reducir las pérdidas. ^{[ 5 ]}

Las variantes de este diseño utilizan espejos más complejos, compuestos por formas elípticas superpuestas, para permitir que múltiples lámparas de destello bombeen una sola varilla. Esto proporciona mayor potencia, pero resulta menos eficiente, ya que no toda la luz se proyecta correctamente sobre la varilla, lo que conlleva mayores pérdidas térmicas. Estas pérdidas pueden minimizarse mediante el uso de una cavidad de acoplamiento cercano. Sin embargo, este enfoque puede permitir un bombeo más simétrico, mejorando la calidad del haz. ^{[ 5 ]}

Otra configuración utiliza una varilla y una lámpara de destello en una cavidad hecha de un material reflectante difuso , como Spectralon o sulfato de bario en polvo . Estas cavidades suelen ser circulares u oblongas, ya que enfocar la luz no es un objetivo principal. Esto no acopla la luz tan bien al medio láser, ya que la luz hace muchas reflexiones antes de llegar a la varilla, pero a menudo requiere menos mantenimiento que los reflectores metalizados. ^{[ 6 ]} El mayor número de reflexiones se compensa con la mayor reflectividad del medio difuso: 99 % en comparación con el 97 % de un espejo de oro. ^{[ 7 ]} Este enfoque es más compatible con varillas sin pulir o lámparas múltiples.

Los modos parásitos se producen cuando se generan reflexiones en direcciones distintas a la longitudinal de la varilla, lo que puede consumir energía que de otro modo estaría disponible para el haz. Esto puede ser un problema particular si el cuerpo de la varilla está pulido. Las varillas láser cilíndricas admiten modos de galería susurrante debido a la reflexión interna total entre la varilla y el agua de refrigeración, que se reflejan continuamente alrededor de la circunferencia de la varilla. Los modos de guía de luz pueden reflejarse a lo largo de la varilla en una trayectoria en zigzag. Si la varilla tiene un recubrimiento antirreflectante o está sumergida en un fluido que coincide con su índice de refracción , puede reducir drásticamente estas reflexiones parásitas. Del mismo modo, si el cuerpo de la varilla está rugoso (esmerilado) o ranurado, las reflexiones internas pueden dispersarse. ^{[ 8 ]}

El bombeo con una sola lámpara tiende a concentrar la mayor parte de la energía en un lado, empeorando el perfil del haz. Es común que las varillas tengan un tubo esmerilado para difundir la luz, proporcionando una distribución más uniforme a lo largo de la varilla. Esto permite una mayor absorción de energía en todo el medio de ganancia para un mejor modo transversal . Un tubo de flujo esmerilado o un reflector difuso, si bien reduce la eficiencia de transferencia, ayuda a aumentar este efecto, mejorando la ganancia . ^{[ 9 ]}

Los materiales anfitriones del láser se eligen para que tengan una baja absorción; solo el dopante absorbe. Por lo tanto, cualquier luz en frecuencias no absorbida por el dopante volverá a la lámpara y recalentará el plasma, acortando su vida útil.

Las lámparas de destello fueron la primera fuente de energía para los láseres. Se utilizan para obtener energías pulsadas elevadas tanto en láseres de estado sólido como de colorante. Producen un amplio espectro de luz, lo que provoca que la mayor parte de la energía se disipe en forma de calor en el medio de ganancia. Además, las lámparas de destello suelen tener una vida útil corta. ^{[ 10 ]} El primer láser consistía en una lámpara de destello helicoidal que rodeaba una varilla de rubí.

Las lámparas de destello de cuarzo son el tipo más común utilizado en láseres y, a bajas energías o altas frecuencias de repetición, pueden operar a temperaturas de hasta 900  °C. Las potencias promedio o frecuencias de repetición más altas requieren refrigeración por agua. El agua generalmente debe cubrir no solo la longitud del arco de la lámpara, sino también la parte del electrodo del vidrio. Las lámparas de destello refrigeradas por agua se fabrican generalmente con el vidrio contraído alrededor del electrodo para permitir la refrigeración directa del tungsteno . Si se permite que el electrodo se caliente mucho más que la dilatación térmica del vidrio , puede agrietar el sello. ^{[ 11 ]}

La vida útil de una lámpara depende principalmente del régimen de energía utilizado. Las energías bajas provocan la pulverización catódica , que puede eliminar material del cátodo y redepositarlo en el vidrio, creando una apariencia oscura y espejada. La vida útil a bajas energías puede ser bastante impredecible. Las energías altas causan ablación de las paredes , lo que no solo da al vidrio una apariencia turbia, sino que también lo debilita estructuralmente y libera oxígeno , afectando la presión; sin embargo, a estos niveles de energía, la vida útil se puede calcular con bastante precisión. ^{[ 11 ]}

La duración del pulso también puede afectar la vida útil. Los pulsos muy largos pueden arrancar grandes cantidades de material del cátodo, depositándolo en las paredes. Con duraciones de pulso muy cortas, se debe tener cuidado de asegurar que el arco esté centrado en la lámpara, lejos del vidrio, para evitar una ablación grave de la pared. ^{[ 11 ]} El disparo externo no suele recomendarse para pulsos cortos. ^{[ 11 ]} El disparo por voltaje de Simmer se suele utilizar para descargas extremadamente rápidas, como las que se utilizan en los láseres de colorante, y a menudo se combina con una "técnica de prepulso", en la que se inicia un pequeño destello solo milisegundos antes del destello principal, para precalentar el gas y lograr un tiempo de subida más rápido . ^{[ 12 ]}

Los láseres de colorante a veces utilizan el bombeo axial, que consiste en una lámpara de destello hueca y anular, con la envoltura exterior espejada para reflejar la luz adecuada hacia el centro. La celda de colorante se coloca en el centro, lo que proporciona una distribución más uniforme de la luz de bombeo y una transferencia de energía más eficiente. La lámpara de destello hueca también tiene una inductancia menor que una lámpara de destello normal, lo que proporciona una descarga de destello más corta. En raras ocasiones, se utiliza un diseño coaxial para los láseres de colorante, que consiste en una lámpara de destello normal rodeada por una celda de colorante anular. Esto proporciona una mayor eficiencia de transferencia, eliminando la necesidad de un reflector, pero las pérdidas por difracción provocan una menor ganancia. ^{[ 13 ]}

El espectro de salida de una lámpara de destellos es principalmente producto de su densidad de corriente . ^{[ 11 ]} Después de determinar la "energía de explosión" para la duración del pulso, (la cantidad de energía que lo destruirá en uno a diez destellos), y elegir un nivel de energía seguro para el funcionamiento, el equilibrio de voltaje y capacitancia se puede ajustar para centrar la salida en cualquier lugar desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta lejano. Las bajas densidades de corriente resultan del uso de voltaje muy alto y corriente baja. ^{[ 11 ] [ 14 ]} Esto produce líneas espectrales ensanchadas con la salida centrada en el infrarrojo cercano, y es mejor para bombear láseres infrarrojos como Nd:YAG y erbio:YAG . Las densidades de corriente más altas ensanchan las líneas espectrales hasta el punto en que comienzan a mezclarse, y se produce una emisión continua . Las longitudes de onda más largas alcanzan niveles de saturación a densidades de corriente más bajas que las longitudes de onda más cortas, por lo que a medida que aumenta la corriente el centro de salida se desplazará hacia el espectro visible, lo que es mejor para bombear láseres de luz visible, como rubí . ^{[ 2 ]} En este punto, el gas se convierte casi en un " radiador de cuerpo gris " ideal. ^{[ 14 ]} Densidades de corriente aún mayores producirán radiación de cuerpo negro , centrando la salida en el ultravioleta.

El xenón se utiliza ampliamente debido a su buena eficiencia, ^{[ 11 ]} aunque el criptón se usa a menudo para bombear varillas láser dopadas con neodimio . Esto se debe a que las líneas espectrales en el rango del infrarrojo cercano coinciden mejor con las líneas de absorción del neodimio, lo que le da al criptón una mejor eficiencia de transferencia, aunque su potencia de salida total sea menor. ^{[ 11 ] [ 15 ] [ 16 ]} Esto es especialmente efectivo con Nd:YAG, que tiene un perfil de absorción estrecho. Bombeados con criptón, estos láseres pueden alcanzar hasta el doble de la potencia de salida que se puede obtener con xenón. ^{[ 17 ]} La emisión de línea espectral se suele elegir cuando se bombea Nd:YAG con criptón, pero como todas las líneas espectrales del xenón no coinciden con las bandas de absorción del Nd:YAG, cuando se bombea con xenón se utiliza la emisión continua. ^{[ 18 ]}

Las lámparas de arco se utilizan para el bombeo de barras que permiten un funcionamiento continuo y pueden fabricarse en cualquier tamaño y potencia. Las lámparas de arco típicas funcionan a un voltaje lo suficientemente alto como para mantener el nivel de corriente para el que fueron diseñadas. Este nivel suele estar entre 10 y 50 amperios. Debido a sus muy altas presiones, las lámparas de arco requieren circuitos especialmente diseñados para el arranque o la "encendido" del arco. El encendido generalmente ocurre en tres fases. En la fase de disparo, un pulso de voltaje extremadamente alto proveniente del transformador de "disparo en serie" crea una chispa entre los electrodos, pero la impedancia es demasiado alta para que el voltaje principal tome el control. Luego se inicia una fase de "voltaje de refuerzo", donde se aplica a la lámpara un voltaje superior a la caída de voltaje entre los electrodos, hasta que el gas se calienta a un estado de plasma . Cuando la impedancia disminuye lo suficiente, se inicia la fase de "control de corriente", donde el voltaje principal comienza a impulsar la corriente a un nivel estable. ^{[ 11 ]}

El bombeo de lámparas de arco se realiza en una cavidad similar a la de un láser bombeado con lámpara de destellos, con una varilla y una o más lámparas en una cavidad reflectora. La forma exacta de la cavidad suele depender del número de lámparas utilizadas. La principal diferencia radica en la refrigeración. Las lámparas de arco necesitan refrigeración con agua, asegurando que esta llegue más allá del vidrio y también a través de los conectores de los electrodos. Esto requiere el uso de agua desionizada con una resistividad de al menos 200 kiloohmios, para evitar cortocircuitos y la corrosión de los electrodos por electrólisis . El agua se canaliza normalmente a través de un tubo de flujo a un caudal de 4 a 10 litros por minuto. ^{[ 11 ]}

Las lámparas de arco se fabrican con casi todos los gases nobles , incluidos el xenón , el criptón , el argón , el neón y el helio , los cuales emiten líneas espectrales muy específicas para cada gas. El espectro de salida de una lámpara de arco depende principalmente del tipo de gas, presentando líneas espectrales de banda estrecha muy similares a las de una lámpara de destellos que funciona a bajas densidades de corriente. Su máxima emisión se encuentra en el infrarrojo cercano y se utilizan habitualmente para bombear láseres infrarrojos como el Nd:YAG.

Se puede utilizar un láser del tipo adecuado para bombear otro láser. El espectro estrecho del láser de bombeo permite que se ajuste con precisión a las líneas de absorción del medio láser, lo que proporciona una transferencia de energía mucho más eficiente que la emisión de banda ancha de las lámparas de destello. Los láseres de diodo bombean láseres de estado sólido y láseres de colorante líquido . A menudo se utiliza un diseño de láser de anillo , especialmente en láseres de colorante. El láser de anillo utiliza tres o más espejos para reflejar la luz en una trayectoria circular. Esto ayuda a eliminar la onda estacionaria generada por la mayoría de los resonadores Fabry-Pérot , lo que conduce a un mejor aprovechamiento de la energía del medio de ganancia. ^{[ 21 ]}

Las microondas o la radiación electromagnética de radiofrecuencia pueden utilizarse para excitar láseres de gas.

Un láser bombeado por energía solar utiliza la radiación solar como fuente de bombeo. ^{[ 22 ] [ 23 ]}