レーザーポンピング

アークランプやフラッシュランプで励起されるレーザーは、通常、レーザー媒質の側面壁を通して励起されます。レーザー媒質は、金属不純物を含む結晶棒や液体染料を含むガラス管などの形状をしていることが多く、この状態は「サイドポンピング」と呼ばれます。ランプのエネルギーを最も効率的に利用するために、ランプとレーザー媒質は反射空洞内に収容され、ランプのエネルギーの大部分が結晶棒または染料セルに再分配されます。

最も一般的な構成では、利得媒体は、鏡面共振器の一方の焦点に配置された棒状構造で、鏡面共振器は棒の軸に垂直な楕円形の断面を持つ。フラッシュランプは、楕円のもう一方の焦点に配置された管である。多くの場合、鏡面のコーティングは、レーザー出力よりも短い波長を反射し、同じかそれ以上の波長を吸収または透過するように選択され、熱レンズ効果を最小限に抑える。場合によっては、より長い波長を吸収する吸収体を使用する。多くの場合、ランプはフローチューブと呼ばれる円筒形のジャケットで囲まれている。このフローチューブは通常、紫外線などの不適切な波長を吸収するガラス、または赤外線を吸収する冷却水の経路を提供するガラスでできている。多くの場合、ジャケットには、不適切な波長の光をランプに反射する誘電体コーティングが施されている。この光は吸収され、その一部は適切な波長で再放出される。フローチューブは、ランプが激しく故障した場合に棒を保護する役割も果たす。

楕円が小さいほど反射が少なくなり（「近接結合」と呼ばれる状態）、ロッドの中心で強度が高くなります。^{[ 1 ]}単一のフラッシュランプの場合、ランプとロッドの直径が同じであれば、高さの2倍の幅の楕円が通常、光をロッドに結像するのに最も効率的です。ロッドとランプは、端面での損失の影響を最小限に抑え、十分な長さの利得媒体を提供するために、比較的長くなっています。長いフラッシュランプは、インピーダンスが高いため、電気エネルギーを光に変換する効率も高くなります。 [ ^{2 ]ただし}、ロッドが直径に対して長すぎると、「プレレーザー」と呼ばれる状態が発生し、ロッドのエネルギーが適切に蓄積される前に枯渇する可能性があります。^{[ 3 ]}この影響を最小限に抑えるために、ロッドの端には反射防止コーティングが施されたり、ブリュースター角で切断されたりすることがよくあります。 ^{[ 4 ]}また、損失を減らすために、ポンプキャビティの端に平面鏡がよく使用されます。^{[ 5 ]}

この設計のバリエーションでは、重なり合う楕円形で構成されるより複雑なミラーを使用して、複数のフラッシュランプで1本のロッドを励起します。これにより出力は向上しますが、光がすべてロッド内に正しく結像されないため効率が低下し、熱損失が増加します。これらの損失は、近接結合キャビティを使用することで最小限に抑えることができます。ただし、このアプローチでは、より対称的な励起が可能になり、ビーム品質が向上する可能性があります。^{[ 5 ]}

別の構成では、スペクトラロンや粉末硫酸バリウムなどの拡散反射材で作られた空洞内にロッドとフラッシュランプを使用します。これらの空洞は、光を集束させることが主な目的ではないため、円形または長方形であることが多いです。この構成では、光がロッドに到達する前に何度も反射するため、レーザー媒質への光の結合はそれほど良くありませんが、金属化された反射板よりもメンテナンスが少なくて済むことが多いです。^{[ 6 ]}反射回数の増加は、拡散媒質の反射率が高いこと（金ミラーの97%に対し99%）で補償されます。^{[ 7 ]}このアプローチは、研磨されていないロッドや複数のランプにより適しています。

寄生モードは、反射がロッドの長さに沿っていない方向に発生するときに発生し、ビームに利用できるはずのエネルギーを消費する可能性があります。これは、ロッドのバレルが研磨されている場合に特に問題になります。円筒形のレーザーロッドは、ロッドと冷却水の間の全反射によりウィスパリングギャラリーモードをサポートし、ロッドの円周に沿って連続的に反射します。ライトパイプモードは、ロッドの長さに沿ってジグザグの経路で反射することができます。ロッドに反射防止コーティングが施されている場合、またはロッドの屈折率に一致する液体に浸されている場合、これらの寄生反射を大幅に低減できます。同様に、ロッドのバレルが粗く研磨されている（曇りガラス状）か、溝が付けられている場合、内部反射を分散させることができます。^{[ 8 ]}

単一ランプでポンピングすると、エネルギーの大部分が片側に集中し、ビームプロファイルが悪化する傾向があります。ロッドには、光を拡散させてロッド全体に均一な光を分布させるために、フロスト加工されたバレルが付いているのが一般的です。これにより、ゲイン媒体全体でより多くのエネルギーが吸収され、横モードが改善されます。フロスト加工されたフローチューブまたは拡散反射器は、伝達効率を低下させますが、この効果を高め、ゲインを向上させます。^{[ 9 ]}

レーザーのホスト材料は吸収率が低いものが選ばれており、ドーパントのみが光を吸収します。そのため、ドーピングによって吸収されない周波数の光はランプ内部に戻り、プラズマを再加熱するため、ランプの寿命が短くなります。

フラッシュランプは、レーザーの初期のエネルギー源でした。固体レーザーと色素レーザーの両方で高パルスエネルギーに使用されます。フラッシュランプは幅広いスペクトルの光を生成するため、エネルギーの大部分が利得媒体で熱として無駄になります。フラッシュランプは寿命が短い傾向があります。^{[ 10 ]}最初のレーザーは、ルビーロッドを囲むらせん状のフラッシュランプで構成されていました。

石英フラッシュランプはレーザーで最も一般的に使用されるタイプであり、低エネルギーまたは高繰り返し周波数では、900  °C までの高温で動作できます。平均出力または繰り返し周波数が高い場合は、水冷が必要です。水は通常、ランプのアーク長だけでなく、ガラスの電極部分にも行き渡る必要があります。水冷式フラッシュランプは通常、タングステンを直接冷却できるように、電極の周囲にガラスを収縮させて製造されます。電極がガラスの熱膨張よりもはるかに高温になると、シールが割れる可能性があります。^{[ 11 ]}

ランプの寿命は、主にそのランプに使用されるエネルギーモードに依存します。低エネルギーではスパッタリングが発生し、陰極から物質が除去されてガラス上に再堆積し、暗く鏡面のような外観になります。低エネルギーでの寿命は予測が非常に困難です。高エネルギーでは壁のアブレーションが発生し、ガラスが曇った外観になるだけでなく、構造的に弱くなり、酸素が放出されて圧力に影響しますが、これらのエネルギーレベルでは寿命をかなり正確に計算できます。^{[ 11 ]}

パルス持続時間も寿命に影響を与える可能性があります。非常に長いパルスは、陰極から大量の材料を剥ぎ取り、壁に付着させる可能性があります。非常に短いパルス持続時間の場合は、アークがランプの中心にあり、ガラスから十分に離れていることを確認し、深刻な壁のアブレーションを防ぐよう注意する必要があります。^{[ 11 ]}短いパルスの場合、外部トリガーは通常推奨されません。^{[ 11 ]}色素レーザーで使用されるような非常に高速な放電には、通常、シマー電圧トリガーが使用され、多くの場合、メインフラッシュのわずか数ミリ秒前に小さなフラッシュを開始してガスを予熱し、立ち上がり時間を短縮する「プレパルス技術」と組み合わせて使用​​されます。^{[ 12 ]}

色素レーザーでは、「軸方向ポンピング」が用いられることがあり、これは中空の環状フラッシュランプで構成され、外側のエンベロープは適切な光を中央に反射するように鏡面化されています。色素セルは中央に配置され、ポンピング光のより均一な分布と、より効率的なエネルギー伝達を実現します。中空のフラッシュランプは通常のフラッシュランプよりもインダクタンスが低いため、フラッシュ放電が短くなります。まれに、通常のフラッシュランプを環状色素セルで囲んだ「同軸」設計が色素レーザーに用いられることがあります。これにより伝達効率が向上し、反射板が不要になりますが、回折損失によりゲインが低下します。^{[ 13 ]}

フラッシュランプの出力スペクトルは、主にその電流密度の産物です。^{[ 11 ]}パルス持続時間に対する「爆発エネルギー」（1～10回のフラッシュでそれを破壊するエネルギー量）を決定し、動作のための安全なエネルギーレベルを選択した後、電圧と容量のバランスを調整して、出力を近赤外線から遠紫外線まで任意の場所に中心合わせることができます。電流密度が低いのは、非常に高い電圧と低い電流を使用することによって実現されます。^{[ 11 ] [ 14 ]}これにより、出力が近赤外線を中心とする広帯域スペクトル線が生成され、Nd:YAGやエルビウム:YAGなどの赤外線レーザーの励起に最適です。電流密度が高くなると、スペクトル線が広がり、それらが混ざり合い始め、連続スペクトル発光が生成されます。波長が長いほど、短い波長よりも低い電流密度で飽和レベルに達するため、電流が増加すると出力中心は可視光スペクトルにシフトし、ルビーなどの可視光レーザーの励起に適しています。^{[ 2 ]}この時点で、ガスはほぼ理想的な「灰色体放射体」になります。^{[ 14 ]}さらに高い電流密度では黒体放射が発生し、出力は紫外線に中心が置かれます。

キセノンは効率が良いため広く使用されていますが、^{[ 11 ]}ネオジム添加レーザーロッドの励起にはクリプトンがよく使用されます。これは、近赤外領域のスペクトル線がネオジムの吸収線とよく一致するため、クリプトンの全体的な出力は低いものの、伝達効率が優れているためです。^{[ 11 ] [ 15 ] [ 16 ]}これは、吸収プロファイルが狭いNd:YAGで特に効果的です。クリプトンで励起すると、これらのレーザーはキセノンから得られる出力の最大2倍の出力を得ることができます。^{[ 17 ]}クリプトンでNd:YAGを励起する場合、通常はスペクトル線発光が選択されますが、キセノンのすべてのスペクトル線はNd:YAGの吸収帯を外れるため、キセノンで励起する場合は連続光発光が使用されます。^{[ 18 ]}

アーク灯は、連続運転を支えることができるポンプロッドに使用され、任意のサイズと出力で製造できます。一般的なアーク灯は、ランプが設計された特定の電流レベルを維持するのに十分な高電圧で動作します。これは通常、10～50アンペアの範囲です。非常に高い圧力のため、アーク灯は起動、つまりアークの「発生」のために特別に設計された回路を必要とします。発生は通常、3つのフェーズで行われます。トリガーフェーズでは、「直列トリガー」トランスからの非常に高い電圧パルスが電極間にスパークストリーマーを生成しますが、インピーダンスが高すぎるため、主電圧が制御できません。次に、「ブースト電圧」フェーズが開始され、電極間の電圧降下よりも高い電圧がランプに供給され、ガスがプラズマ状態に加熱されます。インピーダンスが十分に低くなると、「電流制御」フェーズが引き継がれ、主電圧が電流を安定したレベルまで駆動し始めます。^{[ 11 ]}

アークランプ励起は、フラッシュランプ励起レーザーと同様のキャビティで行われ、反射キャビティ内にロッドと1つ以上のランプが配置されます。キャビティの正確な形状は、使用するランプの数によって決まることが多いです。主な違いは冷却方法にあります。アークランプは水で冷却する必要があり、水がガラスの外側だけでなく電極コネクタにも行き渡るようにする必要があります。回路の短絡や電気分解による電極の腐食を防ぐため、抵抗率が少なくとも200キロオームの脱イオン水を使用する必要があります。水は通常、毎分4～10リットルの流量でフローチューブを通して流されます。^{[ 11 ]}

アークランプは、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウムなど、ほぼすべての希ガス種に対応しており、それぞれがガス特有のスペクトル線を放出します。アークランプの出力スペクトルは主にガス種に依存し、低電流密度で動作するフラッシュランプと非常によく似た狭帯域スペクトル線となります。出力は近赤外域で最も高く、通常はNd:YAGレーザーなどの赤外線レーザーの励起に使用されます。

適切なタイプのレーザーを使用して、別のレーザーを励起することができます。励起レーザーの狭いスペクトルにより、レーザー媒質の吸収線に非常に近い波長に合わせることができ、フラッシュランプの広帯域発光よりもはるかに効率的なエネルギー伝達が可能になります。ダイオードレーザーは、固体レーザーや液体色素レーザーを励起します。リングレーザー設計は、特に色素レーザーでよく使用されます。リングレーザーは、3 つ以上のミラーを使用して光を円形経路で反射します。これにより、ほとんどのファブリ・ペロー共振器で発生する定在波が除去され、利得媒質のエネルギーをより有効に利用できるようになります。^{[ 21 ]}

マイクロ波または高周波電磁波は、ガスレーザーを励起するために使用できる。

太陽光励起レーザーは、励起光源として太陽光を利用する。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}