El bombeo láser es el acto de transferencia de energía desde una fuente externa al medio de ganancia de un láser . La energía es absorbida en el medio, produciendo estados excitados en sus átomos. Cuando durante un período de tiempo el número de partículas en un estado excitado excede el número de partículas en el estado fundamental o en un estado menos excitado, se logra la inversión de población . En esta condición, puede tener lugar el mecanismo de emisión estimulada y el medio puede actuar como un láser o un amplificador óptico . La potencia de bombeo debe ser superior al umbral láser del láser.
La energía de bombeo se proporciona normalmente en forma de luz o corriente eléctrica , pero se han utilizado fuentes más exóticas, como reacciones químicas o nucleares .
Un láser bombeado con una lámpara de arco o una lámpara de destellos generalmente se bombea a través de la pared lateral del medio láser, que a menudo tiene 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 utilizar la energía de la lámpara de manera más eficiente, las lámparas y el medio láser están contenidos en una cavidad reflectante que redirigirá la mayor parte de la energía de la lámpara hacia la varilla o la celda del tinte.
En la configuración más común, el medio de ganancia tiene la forma de una varilla ubicada en un foco de una cavidad reflejada, que consiste en una sección transversal elíptica perpendicular al eje de la varilla. La lámpara de destellos es un tubo ubicado en el otro foco de la elipse. A menudo, el revestimiento del espejo se elige para reflejar longitudes de onda que son más cortas que la salida del láser mientras absorbe o transmite longitudes de onda que son iguales o más largas, para minimizar el efecto de lente térmica . En otros casos, se utiliza un absorbente para las longitudes de onda más largas. A menudo, la lámpara está rodeada por una cubierta cilíndrica llamada tubo de flujo. Este tubo de flujo generalmente está hecho de un vidrio que absorberá longitudes de onda inadecuadas, como ultravioleta, o proporcionará un camino para agua de refrigeración que absorbe infrarrojos. A menudo, la cubierta tiene un revestimiento dieléctrico que refleja longitudes de onda de luz inadecuadas de regreso a la lámpara. Esta luz se absorbe y parte de ella se reemite en longitudes de onda adecuadas. El tubo de flujo también sirve para proteger la varilla en caso de una falla violenta de la lámpara.
Las elipses más pequeñas crean menos reflejos (una condición llamada "acoplamiento cercano"), lo que da una 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 sea el doble de ancha que 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 de los extremos y para proporcionar una longitud suficiente de medio de ganancia. Las lámparas de destello más largas también son más eficientes para transferir energía eléctrica en 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 "prelasing", que agota la energía de la varilla antes de que pueda acumularse adecuadamente. [3] Los extremos de las varillas a menudo están recubiertos con antirreflejos o cortados en el ángulo de Brewster para minimizar este efecto. [4] Los espejos planos también se utilizan a menudo en los extremos de la cavidad de la bomba para reducir la pérdida. [5]
Las variaciones de este diseño utilizan espejos más complejos compuestos de formas elípticas superpuestas, para permitir que varias lámparas de destello bombeen una sola varilla. Esto permite una mayor potencia, pero es menos eficiente porque no toda la luz se refleja correctamente en la varilla, lo que genera mayores pérdidas térmicas. Estas pérdidas se pueden minimizar utilizando una cavidad acoplada. Sin embargo, este enfoque puede permitir un bombeo más simétrico, lo que aumenta 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 múltiples lámparas.
Los modos parásitos se producen cuando se generan reflexiones en direcciones distintas a la longitud 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 enfriamiento, que se reflejan continuamente alrededor de la circunferencia de la varilla. Los modos de tubo de luz pueden reflejarse a lo largo de la varilla en una trayectoria en zigzag. Si la varilla tiene un revestimiento antirreflejo o está sumergida en un fluido que coincida con su índice de refracción , puede reducir drásticamente estas reflexiones parásitas. Del mismo modo, si el cuerpo de la varilla está pulido rugosamente (esmerilado) o ranurado, las reflexiones internas se pueden dispersar. [8]
El bombeo con una sola lámpara tiende a concentrar la mayor parte de la energía en un lado, lo que empeora el perfil del haz. Es común que las varillas tengan un cañón esmerilado para difundir la luz, lo que proporciona una distribución más uniforme de la luz en toda 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 conduce a una menor eficiencia de transferencia, ayuda a aumentar este efecto, mejorando la ganancia . [9]
Los materiales que albergan el láser se eligen para que tengan una absorción baja; solo el dopante absorbe. Por lo tanto, cualquier luz en frecuencias no absorbidas por el dopante regresará a la lámpara y recalentará el plasma, acortando la vida útil de la lámpara.
Las lámparas de destellos fueron la primera fuente de energía para láseres. Se utilizan para energías pulsadas altas tanto en láseres de estado sólido como en láseres de colorante. Producen un amplio espectro de luz, lo que hace que la mayor parte de la energía se desperdicie en forma de calor en el medio de ganancia. Las lámparas de destellos también tienden a tener una vida útil corta. [10] El primer láser consistía en una lámpara de destellos helicoidal que rodeaba una varilla de rubí.
Las lámparas de destellos de cuarzo son el tipo más común utilizado en láseres y, a bajas energías o altas tasas de repetición, pueden operar a temperaturas de hasta 900 °C. Las potencias promedio o tasas de repetición más altas requieren refrigeración por agua. El agua generalmente tiene que lavar no solo la longitud del arco de la lámpara, sino también la parte del electrodo del vidrio. Las lámparas de destellos refrigeradas por agua generalmente se fabrican con el vidrio encogido alrededor del electrodo para permitir el enfriamiento directo del tungsteno . Si se permite que el electrodo se caliente mucho más que el vidrio, la expansión térmica puede agrietar el sello. [11]
La vida útil de la lámpara depende principalmente del régimen de energía utilizado para la lámpara en particular. Las energías bajas dan lugar a la pulverización catódica , que puede eliminar material del cátodo y volver a depositarlo en el vidrio, creando una apariencia oscura y reflejada. La expectativa de vida a bajas energías puede ser bastante impredecible. Las energías altas causan ablación de la pared , que no solo le da al vidrio una apariencia turbia, sino que también lo debilita estructuralmente y libera oxígeno , lo que afecta la presión, pero a estos niveles de energía la expectativa de vida 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 para asegurar que el arco esté centrado en la lámpara, lejos del vidrio, evitando una ablación grave de la pared. [11] El disparo externo no suele recomendarse para pulsos cortos. [11] El disparo por voltaje de combustión lenta se utiliza normalmente 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 apenas milisegundos antes del destello principal, para precalentar el gas para un tiempo de subida más rápido . [12]
Los láseres de colorante a veces utilizan un "bombeo axial", que consiste en una lámpara de destellos hueca y con forma anular, con la envoltura exterior espejada para reflejar la luz adecuada de vuelta al centro. La celda de colorante se coloca en el medio, lo que proporciona una distribución más uniforme de la luz de bombeo y una transferencia de energía más eficiente. La lámpara de destellos hueca también tiene una inductancia menor que una lámpara de destellos 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 destellos normal rodeada por una celda de colorante con forma anular. Esto proporciona una mejor eficiencia de transferencia, eliminando la necesidad de un reflector, pero las pérdidas por difracción causan una ganancia menor. [13]
El espectro de salida de una lámpara de destellos es principalmente un 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 la operación, 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 densidades de corriente bajas 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 amplían 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 visual, lo que es mejor para bombear láseres de luz visible, como el rubí . [2] En este punto, el gas se convierte casi en un "radiador de cuerpo gris" ideal. [14] Incluso densidades de corriente más altas 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 utiliza a menudo para bombear barras láser dopadas con neodimio . Esto se debe a que las líneas espectrales en el rango cercano al infrarrojo coinciden mejor con las líneas de absorción del neodimio, lo que le da al criptón una mejor eficiencia de transferencia a pesar de que su potencia de salida total es 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 obtenible con xenón. [17] La emisión de línea espectral generalmente se elige cuando se bombea Nd:YAG con criptón, pero dado que todas las líneas espectrales de xenón no alcanzan las bandas de absorción de Nd:YAG, cuando se bombea con xenón se utiliza la emisión continua. [18]
Las lámparas de arco se utilizan para bombear varillas que pueden soportar un funcionamiento continuo y pueden fabricarse con cualquier tamaño y potencia. Las lámparas de arco típicas funcionan a un voltaje lo suficientemente alto como para mantener el nivel de corriente determinado para el que fue diseñada la lámpara. Este suele estar en el rango de 10 a 50 amperios. Debido a sus presiones muy altas, las lámparas de arco requieren circuitos especialmente diseñados para el arranque o "encendido" del arco. El encendido suele ocurrir en tres fases. En la fase de activación, un pulso de voltaje extremadamente alto del transformador de "activación en serie" crea una corriente de 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 un voltaje que es más alto que la caída de voltaje entre los electrodos se impulsa a través de la lámpara, hasta que el gas se calienta a un estado de plasma . Cuando la impedancia se vuelve lo suficientemente baja, entra en juego la fase de "control de corriente", donde el voltaje principal comienza a impulsar la corriente a un nivel estable. [11]
El bombeo de la lámpara de arco se lleva a cabo en una cavidad similar a la de un láser bombeado por una lámpara de destello, con una varilla y una o más lámparas en una cavidad reflectora. La forma exacta de la cavidad depende a menudo de la cantidad de lámparas que se utilicen. La principal diferencia está en la refrigeración. Las lámparas de arco deben enfriarse con agua, lo que garantiza que el agua se filtre 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 kilohmios, para evitar que se produzca un cortocircuito en el circuito y se corroan los electrodos mediante electrólisis . El agua se canaliza normalmente a través de un tubo de flujo a una velocidad de 4 a 10 litros por minuto. [11]
Las lámparas de arco están disponibles en casi todos los tipos de gases nobles , incluidos xenón , criptón , argón , neón y helio , que emiten líneas espectrales que son muy específicas del gas. El espectro de salida de una lámpara de arco depende principalmente del tipo de gas, siendo líneas espectrales de banda estrecha muy similares a las de una lámpara de destellos que funciona a bajas densidades de corriente. La salida es más alta en el infrarrojo cercano y generalmente se utilizan para bombear láseres infrarrojos como Nd:YAG.
Se puede utilizar un láser de un tipo adecuado para bombear otro láser. El espectro estrecho del láser de bombeo le permite coincidir estrechamente con las líneas de absorción del medio láser, lo que le proporciona una transferencia de energía mucho más eficiente que la emisión de banda ancha de las lámparas de destellos. 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 uso de la energía del medio de ganancia. [21]
Se pueden utilizar microondas o radiación EM de radiofrecuencia para excitar láseres de gas.
Un láser bombeado por energía solar utiliza la radiación solar como fuente de bombeo. [22] [23]
La descarga eléctrica luminiscente es común en los láseres de gas . Por ejemplo, en el láser de helio-neón, los electrones de la descarga chocan con los átomos de helio , excitándolos. Los átomos de helio excitados luego chocan con los átomos de neón , transfiriendo energía. Esto permite que se acumule una población inversa de átomos de neón.
La corriente eléctrica se utiliza normalmente para bombear diodos láser y láseres de cristal semiconductor (por ejemplo, germanio [24] ).
Los haces de electrones bombean láseres de electrones libres y algunos láseres excimer .
Los láseres dinámicos de gas se construyen utilizando el flujo supersónico de gases, como el dióxido de carbono , para excitar las moléculas más allá del umbral. El gas se presuriza y luego se calienta hasta 1400 kelvin . Luego, se permite que el gas se expanda rápidamente a través de boquillas de forma especial hasta una presión muy baja. Esta expansión se produce a velocidades supersónicas, a veces tan altas como Mach 4. El gas caliente tiene muchas moléculas en los estados excitados superiores, mientras que muchas más están en los estados inferiores. La rápida expansión causa un enfriamiento adiabático , que reduce la temperatura hasta 300 K. Esta reducción de la temperatura hace que las moléculas en los estados superior e inferior relajen su equilibrio a un valor que es más apropiado para la temperatura más baja. Sin embargo, las moléculas en los estados inferiores se relajan muy rápidamente, mientras que las moléculas del estado superior tardan mucho más en relajarse. Dado que una buena cantidad de moléculas permanece en el estado superior, se crea una inversión de población, que a menudo se extiende por una distancia considerable aguas abajo. Se han obtenido salidas de onda continua de hasta 100 kilovatios a partir de láseres de dióxido de carbono dinámicos. [25]
Se utilizan métodos similares de expansión supersónica para enfriar adiabáticamente los láseres de monóxido de carbono , que luego se bombean mediante una reacción química, un bombeo eléctrico o por radiofrecuencia . El enfriamiento adiabático reemplaza el costoso y voluminoso enfriamiento criogénico con nitrógeno líquido, lo que aumenta la eficiencia del láser de monóxido de carbono. Los láseres de este tipo han podido producir salidas de hasta un gigavatio, con eficiencias de hasta el 60%. [26]
La canalización automática por desplazamiento de carga puede dar lugar a una alta concentración de energía a lo largo de una columna creada y mantenida por la expulsión ponderomotriz de electrones. El canal también canalizará radiación secundaria de longitud de onda más corta y, en última instancia, emisión láser de longitud de onda extremadamente corta. [27] [28] [ 29] [30 ] [31 ] [32 ] [33] [ 34] [35] [36] [ 37] [38] [39] [ 40] [41]
La reacción química se utiliza como fuente de energía en los láseres químicos . Esto permite obtener potencias de salida muy altas que son difíciles de alcanzar por otros medios.
La fisión nuclear se utiliza en exóticos láseres de bombeo nuclear (NPL), que emplean directamente la energía de los neutrones rápidos liberados en un reactor nuclear . [42] [43]
En la década de 1980 , el ejército de los Estados Unidos probó un láser de rayos X impulsado por un arma nuclear , pero los resultados de la prueba no fueron concluyentes y no se ha repetido. [44] [45]