El bombeo láser es el acto de transferir 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 la bomba debe ser superior al umbral de emisión del láser.
La energía de la bomba suele proporcionarse 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 de 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 consta de una sección transversal elíptica perpendicular al eje de la varilla. La lámpara de destellos es un tubo situado 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 la lente térmica . En otros casos se utiliza un absorbente para longitudes de onda más largas. A menudo, la lámpara está rodeada por una camisa cilíndrica llamada tubo de flujo. Este tubo de flujo suele estar hecho de un vidrio que absorberá longitudes de onda inadecuadas, como la ultravioleta, o proporcionará un camino para enfriar el agua que absorbe el infrarrojo. A menudo, la chaqueta recibe un revestimiento dieléctrico que refleja longitudes de onda de luz inadecuadas hacia la lámpara. Esta luz se absorbe y parte se reemite en longitudes de onda adecuadas. El tubo de flujo también sirve para proteger la varilla en caso de un fallo violento de la lámpara.
Las elipses más pequeñas crean menos reflejos (una condición llamada "acoplamiento cercano"), dando 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 dos veces más ancha que alta suele ser la más eficiente para reflejar 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 destellos más largas también son más eficientes a la hora de transferir energía eléctrica en luz, debido a su mayor impedancia . [2] Sin embargo, si la varilla es demasiado larga en relación con su diámetro, puede ocurrir una condición llamada "prelasing", agotando la energía de la varilla antes de que pueda acumularse adecuadamente. [3] Los extremos de las varillas suelen tener un revestimiento antirreflectante o cortarse 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 las pérdidas. [5]
Las variaciones de este diseño utilizan espejos más complejos compuestos de formas elípticas superpuestas, para permitir que múltiples 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 estrechamente acoplada. Sin embargo, este enfoque puede permitir un bombeo más simétrico, aumentando la calidad del haz. [5]
Otra configuración utiliza una varilla y una lámpara de destellos 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 el objetivo principal. Esto no acopla tan bien la luz al medio láser, ya que la luz genera muchos reflejos antes de llegar a la varilla, pero a menudo requiere menos mantenimiento que los reflectores metalizados. [6] El mayor número de reflejos se compensa con la mayor reflectividad del medio difuso: 99% en comparación con el 97% de un espejo dorado. [7] Este enfoque es más compatible con varillas sin pulir o lámparas múltiples.
Los modos parásitos ocurren cuando se generan reflexiones en direcciones distintas a las de 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 cilindro 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 refleja continuamente alrededor de la circunferencia de la varilla. Los modos de tubo de luz pueden reflejarse a lo largo de la varilla en un camino en zigzag. Si la varilla tiene un revestimiento antirreflectante o se sumerge en un fluido que coincida con su índice de refracción , puede reducir drásticamente estos reflejos parásitos. Del mismo modo, si el cañón de la varilla es rugoso (esmerilado) o ranurado, los reflejos internos pueden dispersarse. [8]
Bombear 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 cilindro esmerilado para difundir la luz y proporcionar 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 reduce la eficiencia de transferencia, ayuda a aumentar este efecto y mejora la ganancia . [9]
Los materiales anfitriones del láser se eligen para que tengan una baja absorción; sólo se absorbe el dopante . Por lo tanto, cualquier luz en frecuencias no absorbidas por el dopaje volverá 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 los láseres. Se utilizan para energías pulsadas altas tanto en láseres de estado sólido como de colorantes. 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, con bajas energías o altas tasas de repetición, pueden funcionar a temperaturas de hasta 900 °C. Las potencias medias más altas o las tasas de repetición requieren refrigeración por agua. Por lo general, el agua tiene que pasar no sólo a lo largo de la longitud del arco de la lámpara, sino también a través de la porción del electrodo del vidrio. Las lámparas de destellos enfriadas 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 romper el sello. [11]
La vida útil de la lámpara depende principalmente del régimen energético utilizado para cada lámpara en particular. Las energías bajas dan lugar a chisporroteo , que puede eliminar material del cátodo y volver a depositarlo en el vidrio, creando una apariencia espejada y oscurecida. La esperanza de vida a bajas energías puede ser bastante impredecible. Las altas energías causan la ablación de la pared , lo 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 esperanza de vida se puede calcular con bastante precisión. [11]
La duración del pulso también puede afectar la vida. Los pulsos muy largos pueden extraer grandes cantidades de material del cátodo, depositándolo en las paredes. Con duraciones de pulso muy cortas, se debe tener cuidado para garantizar que el arco esté centrado en la lámpara, lejos del vidrio, evitando una ablación grave de la pared. [11] La activación externa generalmente no se recomienda para pulsos cortos. [11] El disparo por voltaje a fuego lento generalmente se usa para descargas extremadamente rápidas, como se usan en los láseres de tinte, y a menudo se combina esto con una "técnica de prepulso", en la que se inicia un pequeño destello solo milisegundos antes del destello principal, para precalentar. el gas para un tiempo de subida más rápido . [12]
Los láseres de tinte a veces utilizan "bombeo axial", que consiste en una lámpara de destellos hueca de forma anular, con la envoltura exterior reflejada para reflejar la luz adecuada hacia el centro. La celda de tinte está colocada 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 destello hueca también tiene una inductancia más baja 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 tinte, que consiste en una lámpara de destello normal rodeada por una celda de tinte de forma anular. Esto proporciona una mejor eficiencia de transferencia, eliminando la necesidad de un reflector, pero las pérdidas por difracción provocan 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 centre la salida en cualquier lugar desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta lejano. Las bajas densidades de corriente resultan del uso de muy alto voltaje y baja corriente. [11] [14] Esto produce líneas espectrales ampliadas con la salida centrada en el IR 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 con 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, 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] 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 utiliza a menudo para bombear varillas láser dopadas con neodimio . Esto se debe a que las líneas espectrales en el rango del IR cercano 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 producción de energía general 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 potencia de salida que se puede obtener con xenón. [17] La emisión de líneas espectrales generalmente se elige cuando se bombea Nd:YAG con criptón, pero dado que todas las líneas espectrales del xenón pasan por alto las bandas de absorción de Nd:YAG, cuando se bombea con xenón se usa la emisión continua. [18]
Las lámparas de arco se utilizan para varillas de bombeo que pueden soportar un funcionamiento continuo y pueden fabricarse de cualquier tamaño y potencia. Las lámparas de arco típicas funcionan a un voltaje lo suficientemente alto como para mantener el cierto nivel de corriente para el cual fue diseñada la lámpara. 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 encender o "encender" el arco. El golpe suele ocurrir 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 un voltaje que es mayor que la caída de voltaje entre los electrodos se conduce a través de la lámpara, hasta que el gas se calienta a un estado de plasma . Cuando la impedancia es lo suficientemente baja, la fase de "control de corriente" toma el control, donde el voltaje principal comienza a llevar la corriente a un nivel estable. [11]
El bombeo de una lámpara de arco tiene lugar 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 cuántas lámparas se utilizan. La principal diferencia está en la refrigeración. Las lámparas de arco deben enfriarse con agua, asegurándose de que el agua pase 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 en el circuito y corrosión de los electrodos mediante electrólisis . Normalmente el agua se canaliza a través de un tubo de flujo a una velocidad de 4 a 10 litros por minuto. [11]
Las lámparas de arco vienen en casi todos los tipos de gases nobles , incluidos xenón , criptón , argón , neón y helio , los cuales 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 las líneas espectrales de banda estrecha muy similares a las de una lámpara de destellos que funciona con bajas densidades de corriente. La salida es mayor en el infrarrojo cercano y generalmente se usa para bombear láseres infrarrojos como Nd:YAG.
Se puede utilizar un láser de un tipo adecuado para bombear otro láser. El estrecho espectro del láser de bombeo le permite coincidir estrechamente con las líneas de absorción del medio láser, lo que le otorga 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 tinte líquido . A menudo se utiliza un diseño de láser de anillo , especialmente en láseres de tinte. El láser anular 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 lleva 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 incandescente 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 de hasta mach 4 . El gas caliente tiene muchas moléculas en los estados excitados superiores, mientras que muchas más se encuentran en los estados inferiores. La rápida expansión provoca un enfriamiento adiabático , que reduce la temperatura hasta 300 K. Esta reducción de 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 en los estados superiores tardan mucho más en relajarse. Puesto que una buena cantidad de moléculas permanecen en el estado superior, se crea una inversión de población que a menudo se extiende a una distancia considerable aguas abajo. Se han obtenido potencias de onda continua de hasta 100 kilovatios a partir de láseres dinámicos de dióxido de carbono. [25]
Se utilizan métodos similares de expansión supersónica para enfriar adiabáticamente los láseres de monóxido de carbono , que luego se bombean mediante reacción química, bombeo eléctrico o de radiofrecuencia . El enfriamiento adiabático reemplaza el voluminoso y costoso enfriamiento criogénico con nitrógeno líquido, aumentando la eficiencia del láser de monóxido de carbono. Los láseres de este tipo han podido producir potencias de hasta un gigavatio, con eficiencias de hasta el 60%. [26]
La autocanalización 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 generará columnas de radiación secundaria de longitud de onda más corta y, en última instancia, 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 potencias de salida muy altas difíciles de alcanzar por otros medios.
La fisión nuclear se utiliza en exóticos láseres de bombeo nuclear (NPL), empleando directamente la energía de los neutrones rápidos liberados en un reactor nuclear . [42] [43]
El ejército de Estados Unidos probó un láser de rayos X bombeado por un arma nuclear en la década de 1980, pero los resultados de la prueba no fueron concluyentes y no se ha repetido. [44] [45]