Накачка лазера. Виды и применение

• Физика процесса накачки лазера
• Виды накачки лазера
• Оптическая накачка
• Электрическая накачка
• Химическая накачка
• Ядерная накачка
• Газодинамическая накачка
• Продольная накачка
• Поперечная накачка лазера

Физика процесса накачки лазера 

Накачка лазера - это процесс при котором атомы перекачиваются с нижнего уровня на верхний. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбужденное состояние. Когда число атомов в возбужденном состоянии превышает количество атомов в основном состоянии возникает инверсия населенности. В состоянии возбуждения атом может находиться недолго, почти сразу происходит безызлучательный переход на другой уровень на котором атом может находиться значительно дольше, данный уровень является метастабильным. Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется  в рубиновом лазере. В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения происходит на ионах неодима, используется четырёхуровневая схема накачки.

Виды накачки лазера

Оптическая накачка

При оптической накачке используется непрерывный или импульсный свет, излучаемый мощной лампой или лазерным лучом. Оптическая накачка может быть реализована с помощью света от мощных некогерентных источников. Некогерентный свет поглощается активной средой так, что атомы накачиваются до верхнего лазерного уровня. Этот метод особенно подходит для твердотельных или жидкостных лазеров, чьи полосы поглощения достаточно широки чтобы поглотить достаточную энергию от широкополосных падающих источников некогерентного света.

В качестве источника света обычно применяют:

• электролампы с высоким КПД (дуговые, газоразрядные эксилампы);
• полупроводниковые источники света (светодиоды или другие лазеры);
• солнечный свет.

Таким образом, лазеры с длиной волны света в пределах полос поглощения активной среды используются для накачки. Поскольку полоса пропускания лазерного света очень узкая, эффективность накачки может быть очень высокой. Лазерная накачка не ограничивается твердотельными лазерами, она также может использоваться для жидкостных и газовых лазеров. 

Рис. 1. Установка твердотельного лазера с конечной накачкой

Электрическая накачка

Электрическая накачка используется для газовых и полупроводниковых лазеров. Она осуществляется путем пропускания тока (непрерывного, радиочастотного, импульсного тока) через проводящую среду, такую как ионизированный газ или полупроводник. Электрическая накачка осуществляется с помощью интенсивного электрического разряда. В газовых лазерах обычно используется электрическая накачка или лазерная накачка, поскольку их полосы поглощения более узкие, чем у твердотельных и жидкостных лазеров, широкополосный свет лампы недостаточно эффективен, большая часть энергии лампы рассеивается в виде тепла. Электрическая накачка - это нерезонансная накачка за счет ударного возбуждения электронов.

Химическая накачка

При химической накачке инверсия населенности происходит непосредственно в результате экзотермической химической реакции. Химическая накачка обычно применяется к материалам в газовой фазе и требует высокореактивных и взрывоопасных газовых смесей. Экзотермическая реакция обычно генерирует большое количество энергии, и если часть этой энергии перевести в энергию лазера, можно получить импульсы высокой мощности и высокой энергии для лазеров. 

Рис. 2. Боковая накачка лазера 

Ядерная накачка

Ядерная накачка - это способ накачки лазера с помощью энергии ядерного взрыва и преобразования веществ в плазму. Любое вещество в эпицентре взрыва преобразуется в плазму в которой постепенно охлаждаются и формируются атомы. Между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии. Если заранее сделать из исходного вещества длинный стержень, то в направлении вдоль оси могут образоваться условия для возникновения вынужденного излучения. Они генерируются при переходе атомов в основное состояние. Такой лазер является импульсным и одноразовым. Огромная энергия задает диапазон рентгеновского излучения.

Газодинамическая накачка

Газодинамический лазер представляет собой сопло, через которое со сверхзвуковой скоростью (до 4 Махов) выходит газ, нагретый до 1 500 градусов Цельсия. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения. В результате мгновенного расширения и адиабатического охлаждения газа большое количество молекул в нем остается в возбужденном состоянии. Затем происходит переход рабочего тела в структуру. Подобно газовым лазерам возбужденные молекулы переходят в основное состояние, принимая участие в стимулированном излучении. Зачастую конструкция такого лазера базируется на авиационных турбореактивных и ракетных двигателях.

Продольная накачка 

Существует два типа накачки: продольная накачка (луч накачки входит в лазерную среду вдоль оси резонатора) и поперечная накачка (луч накачки падает на активную среду с поперечных направлений к оси резонатора). При продольной накачке пучок необходимо сконцентрировать в маленькое и круглое пятно.

Продольная накачка лазеров и оптических усилителей - это метод оптической накачки среды усиления лазера, при котором свет накачки вводится вдоль лазерного луча.

Рис. 3. Продольная накачка лазера 

Положение с продольной накачкой обеспечивает хорошее пространственное перекрытие между накачкой и лазерным пучком. Это дает множество преимуществ:

• Таким образом можно получить высокий коэффициент усиления лазера. Это особенно важно для оптических усилителей;
• Достигается высокая энергетическая эффективность, поскольку избегаются области накачки, которые не могут участвовать в лазерном процессе;
• Если луч накачки остается в пределах объема основной поперечной моды лазерного резонатора (внутри лазерного кристалла), возможна поперечная одномодовая работа с качеством луча, ограниченным дифракцией. Моды более высокого порядка имеют слишком низкое усиление чтобы достичь порога лазерного излучения.

По этим причинам большинство твердотельных лазеров с диодной накачкой, особенно с меньшей выходной мощностью, имеют концевую накачку.

Поперечная накачка лазера 

Поперечная схема накачки - для нее характерно расположение источников излучения - лазерных диодов или массивов лазерных диодов по периметру внешней поверхности активного элемента - лазерного стержня. Основным преимуществом поперечной накачки является возможность получения больших выходных мощностей.

Рис. 4. Поперечная схема накачки

Есть несколько возможных вариантов реализации схем поперечной накачки:

• с прямой подачей излучения в активную среду; 
• с использованием параболических концентраторов в оптической транспортирующей системе излучения;
• с использованием диффузных отражателей и т.д. 

Нет стандартной схемы поперечной накачки для работы лазера с низкой выходной мощностью. Это объясняется рядом причин.

В процессе поперечной накачки излучение, проходящее в активной среде, поглощается в меньшей степени по сравнению с продольной накачкой. Это обусловлено тем, что при поперечной накачке расстояние, на котором поглощается излучение, меньше двух длин Бера, за исключением цепочек с многолучевым распространением.