какие лампы используются в оптической накачке
Введение
Дуговые и импульсные лампы, объем которых заполнен инертными газами криптоном и ксеноном широко используются в качестве источника оптической накачки твердотельных лазеров. В первом лазере на рубине, разработанном Мейманом в 1960 году, использовалась лампа, предназначенная для студийной фотографии. За прошедшие годы, производство ламп для накачки лазеров превратилось в отдельную отрасль, произведено множество исследований, получены выдающиеся результаты.
Материалы колбы
В настоящее время в качестве колбы используются следующие материалы:
В свою очередь кварц делится на следующие типы:
Основным требования к выбору материала колбы – спектральное пропускание во всем диапазоне излучения лампы, способность не пропускать газовые частицы, способность выдерживать высокие температурные градиенты и механическая прочность.
Чистый кварц
Наиболее распрастраненный материал, выдерживает температуры до 600град Цельсия. Пропускание в широком спектре от 220нм. Основной недостаток кварца – изменение пропускания при больших мощностях, из-за присутствия центров окраски (ионы, примеси алюминия, германия и редкоземельных металлов).
Легированный кварц
Спектр пропускания УФ излучения ламп может быть изменен добавлением различных примесей, обычно оксидов церия или титана. Отсечка УФ излучения увеличивает срок службы колбы, позволяет использовать лампы на открытом воздухе, где УФ излучение приводит образованию озона. Также фильтрация УФ спектра позволяет использовать лампы для накачки Nd : YAG кристаллов (УФ излучение вредит кристаллу, покрытию отражателя и герметизирующим силиконовым прокладкам). Кварц с добавлением оксида церия пропускает от 380нм. УФ излучение переизлучается колбой в видимом спектре из-за явления флуоресценции, что увеличивает эффективность накачки. Легированный кварц наиболее распрастраненный материал для изготовления ламп накачки лазеров. Кварц с добавлением оксида титана также отрезает УФ часть спектра, однако не флуоресцирует и сильно подвержен изменению пропускания из-за центров окраски. Такие лампы используются в основном в медицинском оборудовании.
Синтетический кварц
Синтетический кварц обладает наиболее выдающимися характеристиками, пропускает от 160нм, полностью исключены центры окраски, выдерживает высокие перепады температур. Наиболее дорогой материал.
Рис.1. Спектральные характеристики пропускания материалов колбы.
Толщина колбы
Обычно используются колбы с толщиной стенки 1мм, что является идеальным компромиссом между механической прочностью, доступностью, технологичностью и температурными свойствами материала. Если внутренний диаметр ламп более 12мм используют колбу толщиной 1.25-1.5мм. Толщины более 2.5мм, 3мм нежелательны для использования, т.к. температурные градиенты приводят к растрескиванию материала. Для криптоновых ламп характерны большие средние мощности и низкие пиковые мощности, поэтому для снижения температурных градиентов желательно использование толщины кварца 0.5мм.
Как правило, производят лампы с внутренними диаметрами от 2мм до 12мм с шагом 1мм. По спецзаказу возможны промежуточные значения, но это приводит к существенному удорожанию. Точности диаметров обычно 0.3мм. Для внутренних диаметров 2-4мм точности могут быть существенно увеличены, что очень положительно сказывается на повторяемости параметров лампы, особенно импеданса.
Лампы накачки лазера
Лампа накачки является наиболее распространенным устройством для накачки активных элементов твердотельных лазеров.
Лампы обладают относительно высоким КПД преобразования электрической энергии в световую. Потери энергии на нагревание колбы лампы, ее электродов и на излучение, поглощаемое кварцевыми стенками колбы лампы не превышают 25% энергии, поступающей в лампу.
В лазерах, работающих в импульсном режиме, для накачки используются импульсные лампы. Импульсные лампы накачки наполняются ксеноном, так как он обеспечивает более высокие по сравнению с другими инертными газами светоотдачу и плотность излучения. Из общего количества световой энергии, излучаемой импульсной ксеноновой лампой накачки, только 25% имеет спектральный состав, соответствующий полосам поглощения активной среды.
Для накачки лазера непрерывного действия применяют дуговые лампы постоянного горения. Для накачки лазеров непрерывного действия с иттриево-алюминиевым гранатом с неодимом в качестве активной среды применяют лампы накачки с криптоновым наполнением.
Наибольшее распространение в современных конструкциях лазеров получили прямолинейные трубчатые лампы накачки.
Наша компания предлагает прямолинейные трубчатые импульсные и дуговые лампы накачки с ксеноновым и криптоновым наполнением отечественного и зарубежного стандартов. Более подробную информацию об отечественных лампах смотрите в разделе «Лампы накачки отечественного стандарта».
Если необходимая модель лампы не представлена в нашем каталоге, то мы можем изготовить или подобрать лампу накачки по вашим требованиям.
Лампы накачки отечественного стандарта
Типоряд прямолинейных трубчатых ламп накачки для твердотельных лазеров в нашей стране сформировался еще в советское время в НИИ «Зенит» в городе Зеленограде. Отечественные лампы накачки исходя из режима работы подразделяются на два вида: «ИНП» и «ДНП».
Импульсные и дуговые лампы накачки: ИНП и ДНП
Ниже представлены основные характеристики нескольких типов ламп накачки, получивших широкое распространение в отечественных лазерных установках, как в современных, так и ранее выпущенных. В приведенных ниже таблицах в графе «Тип лампы» приводится обозначение типа лампы накачки исходя из ее режима работы (ИНП, ДНП) и соотношения диаметра и длины канала разряда (6/90, 5/60 и т.п.), а в графе «Возможное наименование» приводятся встречаемые у продавцов и в технической документации наименования ламп накачки с аналогичными характеристиками.
Импульсные лампы накачки и их основные характеристики
| |
Дуговые лампы накачки и их основные характеристики
| |
Особенности заказа ламп накачки
Мы стараемся держать указанные выше лампы в постоянном наличии на складе. Наша компания поставляет лампы накачки отечественного стандарта как российских, так и зарубежных производителей.
Мы рекомендуем вам при заказе ламп накачки отечественного стандарта, помимо общего наименования, дополнительно указывать внешние размеры лампы и тип токоподвода (жесткий или гибкий).
Если необходимая модель или наименование лампы не представлена в нашем каталоге, то мы можем изготовить или подобрать лампу накачки по вашим требованиям.
Лампа накачки
Смотреть что такое «Лампа накачки» в других словарях:
лампа накачки — Электрическая лампа, предназначенная для накачки лазера. [ГОСТ 15093 90] Тематики лазерное оборудование EN pump lamp … Справочник технического переводчика
лампа накачки — kaupinimo lempa statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. pump lamp; pumping lamp vok. Pumplampe, f rus. лампа накачки, f pranc. lampe de pompage, f … Radioelektronikos terminų žodynas
лампа накачки лазера — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN pumping lamp … Справочник технического переводчика
дуговая лампа накачки — Дуговая лампа, предназначенная для накачки лазеров непрерывного режима работы. [ГОСТ 24127 80] Тематики газоразрядные приборы … Справочник технического переводчика
Дуговая лампа накачки — 6. Дуговая лампа накачки Дуговая лампа, предназначенная для накачки лазеров непрерывного режима работы Источник: ГОСТ 24127 80: Лампы непрерывного действия газоразрядные. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ЛАМПА — (1) искусственный источник света (см. (3)); к таким Л. относятся: а) газоразрядная прибор высокой световой отдачи, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через инертные газы или др … Большая политехническая энциклопедия
Дуговая лампа — 3. Дуговая лампа Газоразрядная лампа непрерывного действия, работающая в режиме дугового разряда Источник: ГОСТ 24127 80: Лампы непрерывного действия газоразрядные. Термины и определения ор … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Импульсная лампа — импульсный источник света (См. Импульсные источники света) высокой интенсивности, в котором используется свечение плазмы, возникающее, например, при конденсированном искровом разряде в инертном газе или при сжигании металлической фольги в … Большая советская энциклопедия
возбуждающая лампа — лампа (световой) накачки — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы лампа (световой) накачки EN… … Справочник технического переводчика
Какие лампы используются в оптической накачке
В случае оптической накачки свет от мощной некогерентной лампы с помощью соответствующей оптической системы передается активной среде. На рис. 3.1 представлены три наиболее употребительные схемы накачки. Во всех трех случаях активная среда имеет вид цилиндрического стержня, как это обычно встречается на практике. Его диаметр может быть от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, а длина — от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Лазер, очевидно, может работать в импульсном или в непрерывном режиме, в зависимости от того, является ли лампа накачки импульсной (лампа-вспышка) или непрерывной.
Рис. 3.1, Наиболее широко используемые системы оптической накачки.
Изображенная на рис. 3.1, а лампа имеет форму спирали; при этом свет попадает в активную среду либо непосредственно, либо после отражения от зеркальной цилиндрической поверхности (указанной на рисунке цифрой 1). Такая конфигурация использовалась при создании первого рубинового лазера и до сих пор иногда применяется для импульсных лазеров. На рис. 3.2, б лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа), радиус и длина которого приблизительно те же, что и у активного стержня. Лампа размещается вдоль одной из фокальных осей 
зеркально отражающего эллиптического цилиндра (отмеченного на рис. 3.1, б цифрой 1), а лазерный стержень располагаются вдоль другой фокальной оси 
Хорошо известное свойство эллипса состоит в том, что луч 
выходящий из первого фокуса 
проходит после отражения от эллиптической поверхности через второй фокус 
Это означает, что большая часть света, излучаемого лампой, благодаря отражению от эллиптического цилиндра попадает в лазерный стержень. На рис. 3.1, в изображен пример так называемой конфигурации с плотной упаковкой. Лазерный стержень и линейная лампа располагаются как
можно ближе друг к другу и плотно окружаются цилиндрическим отражателем (указан на рис. цифрой 1). Эффективность конфигурации с плотной упаковкой обычно ненамного ниже, чем в случае эллиптического цилиндра. Заметим, что часто вместо зеркально отражающих рефлекторов в схемах на рис. 3.1, а и в применяют цилиндры, изготовленные из диффузно отражающих материалов (таких, как спрессованные порошки 
или 
или белая керамика). Заметим также, что применяются и сложные типы осветителей, в конструкции которых использованы более чем один эллиптический цилиндр или несколько ламп в конфигурации с плотной упаковкой. На рис. 3.2 представлены два возможных примера такой конфигурации. Осветители с несколькими лампами дают более низкий КПД, чем соответствующие конфигурации с одной лампой, показанные на рис. 3.1, б и в. Тем не менее их нередко применяют в системах высокой мощности (или высокой энергии). В импульсных лазерах используют ксеноновые или криптоновые импульсные лампы при давлениях 
или 
от среднего до высокого значений (450—1500 мм рт. ст.). Световой импульс в этом случае создается разрядом через лампу электрической энергии, запасенной в батарее конденсаторов (заряженной соответствующим источником питания; рис. 3.3.). В электрическом контуре для уменьшения времени нарастания тока часто используется последовательно включенная катушка индуктивности. Разряд может возбуждаться при ионизации газа, заполняющего лампу, путем подачи высоковольтного импульса поджига на вспомогательный электрод вокруг лампы (параллельный поджиг; см. рис. 3.3,а). В другом способе предварительная ионизация может быть создана с помощью высоковольтного импульса, приложенного непосредственно к двум основным электродам лампы (последовательный поджиг; см. рис. 3.3, б). Как только газ в лампе ионизован, происходит интенсивная вспышка света, длительность которой определяется емкостью и индуктивностью контура, а также импедансом лампы (обычно длительность вспышки варьируется от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд).
Рис. 3.2. Схемы накачки с двумя лампами. а — двухэллипсная конфигурация; б — конфигурация с плотной упаковкой.
В непрерывных лазерах наиболее часто применяют криптоновые лампы высокого давления (1—8 атм) или вольфрам-иодные лампы. Питание постоянным током осуществляется от источника через подходящее балластное сопротивление (рис. 3.4).
Рис. 3.3. Электрическое возбуждение импульсной лампы с использованием внешней системы поджига (а) и системы с последовательным включением поджига (б).
В этом случае для создания необходимой начальной степени ионизации к схеме должен быть подведен электрический импульс поджига, как правило, от последовательно включенного поджигающего устройства.
Рис. 3.4. Электрическое возбуждение непрерывной лампы.
Для того чтобы лучше почувствовать условия, которые имеют место на практике, приведем на рис. 3.5, а два спектра излучения ксеноновой импульсной лампы накачки, работающей при типичных плотностях тока, а на рис. 3.5, б представим спектры поглощения ионов 
в кристалле 
и ионов 
в кристалле 
(александрите). В обоих случаях это примесь, присутствующая в кристаллической матрице как трехвалентный ион, который поглощает падающий свет и который играт роль активного элемента. Для сравнения приведем на рис. 3.6 спектр излучения
непрерывной криптоновой лампы с плотностью тока 
(типичная рабочая плотность тока криптоновой лампы несколько выше, а именно 
.
Рис. 3.5. (см. скан) а — спектр испускания ксеионовой импульсной лампы при давлении 500 мм рт. ст.; б — сечеиие поглощения иона 
кристалле 
(сплошные кривые) и иоиа 
в александрите (штриховые кривые). На рис. 3.5, б левая шкала относится к кристаллу Nd:YAG и правая — к александриту. В случае александрита выбрано среднее из трех измеренных значений для поляризаций вдоль главных оптических осей а, Ь и с.
Заметим, что в непрерывной лампе, в которой плотность тока существенно ниже, излучение сконцентрировано в линиях криптона, сильно уширенных вследствие высокого давления газа. В импульсной лампе плотность тока значительно выше, поэтому в ее спектр
входит еще и широкая непрерывная компонента, обусловленная рекомбинационным излучением (рекомбинация ионов и электронов), а также тормозным излучением электронов, которые рассеиваются ионами при столкновениях. Таким образом, считается, что непрерывная составляющая пропорциональна произведению 
в то время как интенсивность линий излучения пропорциональна 
где 
плотности соответственно электронов и ионов в разряде.
Рис. 3.6. Спектр испускания непрерывной дуговой криптоновой лампы (внутренний диаметр 6 мм, длина дуги 50 мм, давление газа 4 атм, входная мощность 
Поскольку в нейтральном разряде 
то в первом приближении непрерывная компонента спектра пропорциональна 
в то время как линейчатый спектр пропорционален 
Из сравнения рис. 3.5, б с рис. 3.5, а и 3.6 следует, что относительно широкие спектры ионов как 
так и 
позволяют достаточно полно использовать свет, испускаемый импульсной лампой, а также, как в случае кристалла 
и свет от непрерывной лампы. Заметим, что спектр поглощения редкоземельного элемента вроде 
меняется незначительно от матрицы к матрице, поскольку при таком поглощении происходят электронные переходы между внутренними оболочками атома. Поэтому спектр кристалла 
можно рассматривать как типичный пример спектров других материалов, легированных неодимом, например широко используемое стекло с неодимом (ионы 
в стеклянной матрице). В случае когда используются примесные ионы переходных металлов, такие, как ионы 
где спектр определяется переходами внешних электронов, материал матрицы оказывает большее влияние на спектр. Однако спектр александрита похож на спектр рубина 
в кристалле
материала, который с самого начала развития лазеров играет важную роль и до сих пор широко используется. Заметим также, что спектр поглощения другого материала, а именно 
оба иона 
присутствуют в качестве примеси в кристалле 
причем 
играет роль активного иона), который становится все популярнее, более или менее соответствует суперпозиции спектров кристаллов Nd : YAG и александрита (скорректированных с учетом относительных концентраций обоих ионов в кристалле),