Laserové čerpání je proces čerpání energie z externího zdroje do pracovního prostředí laseru . Absorbovaná energie převádí atomy pracovního média do excitovaného stavu . Když počet atomů v excitovaném stavu překročí počet atomů v základním stavu , dojde k inverzi populace . V tomto stavu začíná fungovat mechanismus stimulované emise a dochází k laserovému záření nebo optickému zesílení . Výkon čerpadla musí překročit práh generování laseru . Energie čerpadla může být poskytnuta ve formě světla , elektrického proudu , energie chemické nebo jaderné reakce, tepelné nebo mechanické energie.
Klasický tříúrovňový systém čerpání pracovního média se používá například v rubínovém laseru. Rubín je krystal korundu Al 2 O 3 dopovaný malým množstvím iontů Cr 3+ chrómu , které jsou zdrojem laserového záření. Vlivem elektrického pole krystalové mřížky korundu dochází k rozštěpení vnější energetické hladiny chrómu E 2 (viz Starkův jev ). To umožňuje použít nemonochromatické záření jako pumpu. [1] V tomto případě atom přechází ze základního stavu s energií E 0 do excitovaného stavu s energií kolem E 2 . Atom může setrvat v tomto stavu relativně krátkou dobu (řádově 10–8 s), téměř okamžitě nastává nezářivý přechod na hladinu E 1 , při kterém může atom setrvat mnohem déle (až 10–3 s ), jedná se o tzv. metastabilní úroveň . Existuje možnost realizace indukované emise pod vlivem jiných náhodných fotonů. Jakmile je v metastabilním stavu více atomů než v hlavním, začíná proces generování [2] [3] .
Je nemožné vytvořit populační inverzi atomů Cr čerpáním přímo z hladiny E 0 na hladinu E 1 . To je způsobeno skutečností, že pokud dojde k absorpci a stimulované emisi mezi dvěma úrovněmi, pak oba tyto procesy probíhají stejnou rychlostí. Proto v tomto případě může čerpání pouze vyrovnat populace dvou úrovní, což nestačí k tomu, aby došlo ke generaci [1] .
V některých laserech, například v neodymových laserech, ve kterých je záření generováno na neodymových iontech Nd 3+ , se používá čtyřúrovňové schéma čerpání. Zde mezi metastabilní E2 a hlavní úrovní Eo existuje střední pracovní úroveň E1 . Stimulovaná emise nastane , když atom přejde mezi úrovněmi E2 a E1 . Výhodou tohoto schématu je, že v tomto případě je snadné splnit podmínku inverzní populace, protože životnost horní pracovní úrovně ( E 2 ) je o několik řádů delší než životnost spodní úrovně ( E 1 ). Tím se výrazně snižují nároky na zdroj čerpadla. [2] Takové schéma navíc umožňuje vytvářet vysoce výkonné lasery pracující v kontinuálním režimu, což je pro některé aplikace velmi důležité. [4] Takové lasery však mají značnou nevýhodu v podobě nízké kvantové účinnosti, která je definována jako poměr energie emitovaného fotonu k energii absorbovaného fotonu pumpy (η kvantum = hν záření / hν pumpa )
Optické čerpání laseru předpokládá přítomnost zdroje světla, optického systému pro koncentraci tohoto světla na pracovní těleso laseru a skutečné pracovní těleso laseru. Typ výbojky a pracovní těleso laseru se musí vzájemně shodovat z hlediska emisního, respektive absorpčního spektra. Obvykle se používá světelný zdroj:
Optické čerpání laseru se zpravidla provádí ze strany pracovního média laseru. Lasery jsou nejčastěji pevnolátkové (prezentované jako tyčinka z krystalu nebo skla aktivovaného nečistotami) nebo barvivové lasery (ve formě kapalného roztoku barviva ve skleněné trubici nebo paprsku roztoku barviva („příčné čerpání“). Pro co nejefektivnější využití energie záření je výbojka a aktivní médium umístěno v dutině se zrcadlovým povrchem, který směřuje většinu světla výbojky na pracovní médium. Vysoce výkonné lasery čerpané lampou jsou chlazené kapalinou. Polovodičová zařízení vyzařující světlo jsou namontována na chladiči .
Čerpání laseru jiným laserem se používá, když spektrum nebo výstupní výkon požadovaného laseru neodpovídá dostupným laserům. V tomto případě je vybrána dvojice z dostupného laseru a pracovní tekutiny. Laser osvětluje pracovní tekutinu v jejím spektru záření a pracovní tekutina vyzařuje v požadovaném spektru. Síla záření se zvyšuje ozářením pracovního těla několika lasery s nízkým výkonem. Řada takových laserů ( diodou-pumped solid-state laser , angl. DPSS ) je široce používána ve formě laserových ukazovátek různých barev. Čerpání laserem (spíše než konvenční LED) zjednodušuje systém pro zaměření záření čerpadla na pracovní těleso, zmenšuje rozměry a zvyšuje efektivitu konstrukce. Výkonné vláknové lasery založené na podobném principu jsou v průmyslu běžné.
Přímé čerpání laserů elektrickým proudem bylo vypracováno pro dva typy laserů: plynový (elektrický výboj v pracovním těle laseru) a polovodičový.
Plynové lasery jsou obvykle skleněné trubice naplněné speciálním plynem nebo směsí plynů. Při dopadu elektronů se molekuly plynu excitují a uvolňují přijatou energii ve formě fotonového záření. K buzení pracovního média takových laserů se používají stejné metody jako pro zapalování běžných plynových výbojek : Vytvoření elektrického výboje mezi elektrodami vloženými do trubice.
Polovodičový laser je polovodičové zařízení, přímo v jehož struktuře dochází působením elektrického proudu k laserovému záření. U této třídy laserů je hlavní metodou čerpání elektrického proudu.
Plynově dynamický laser se skládá z trysky, kterou plyn přehřátý na 1500 stupňů vystupuje nadzvukovou rychlostí (až Mach 4) . Okamžitá expanze a adiabatické ochlazení plynu zanechává značný počet molekul v plynu v excitovaném stavu. Dále pracovní tekutina vstupuje do struktury podobné plynovým laserům, kde excitované molekuly přecházejí do základního stavu a účastní se stimulované emise. Konstrukce takového laseru je často založena na leteckých proudových motorech nebo raketových motorech. Plynově dynamický princip čerpání dokáže i přes nízkou účinnost produkovat ultravysoké laserové záření (až megawatty) v pulzním i kontinuálním režimu. [8] [9] [10] [11] [12]
Lasery využívající energii chemické reakce jsou typem plynových laserů, jejichž pracovní oblastí jsou plynule pumpována plynná činidla. Při chemické reakci mezi reaktanty vznikají molekuly v excitovaném stavu, které přecházejí do základního stavu s emisí fotonu. Plynové lasery mohou produkovat vysoké výstupní výkony s relativně kompaktními rozměry. Jedním z problémů plynových laserů je špatná šetrnost k životnímu prostředí kvůli hojným toxickým výfukovým plynům.
Energie jaderného výbuchu je nejexotičtější způsob pumpování laserů. Jakákoli látka v epicentru exploze se změní na plazmu, která po ochlazení opět vytvoří atomy, ale již excitované. Pokud je z výchozí látky prefabrikována dlouhá tyč, lze v ní ve směru osy vytvořit podmínky pro výskyt stimulovaného záření vznikajícího v důsledku přechodu atomů do základního stavu. Je zřejmé, že takový laser je pulzní a jednorázový. Obrovská energie předurčuje dosah rentgenového záření.