Laser dyskowy

Nie należy mylić z LaserDisc , dużym optycznym nośnikiem pamięci w kształcie dysku lub dyskami lasera światłowodowego , cewkami lasera światłowodowego w kształcie dysku.

Ryc.1. Optycznie pompowany laser dyskowy (aktywne lustro).

Laser dyskowy lub aktywne zwierciadło (rys. 1) to rodzaj lasera na ciele stałym pompowanego diodą , charakteryzujący się radiatorem i wyjściem laserowym, które są realizowane po przeciwnych stronach cienkiej warstwy aktywnego ośrodka wzmacniającego . Pomimo swojej nazwy lasery dyskowe nie muszą być okrągłe; wypróbowano również inne kształty. Grubość dysku jest znacznie mniejsza niż średnica wiązki laserowej. Początkowo ta konfiguracja wnęki laserowej została zaproponowana i zrealizowana eksperymentalnie dla laserów półprzewodnikowych cienkowarstwowych.

Koncepcje lasera dyskowego umożliwiają uzyskanie bardzo wysokich mocy średnich i szczytowych ze względu na jego duży obszar, co prowadzi do umiarkowanych gęstości mocy na materiale aktywnym.

Aktywne lustra i lasery dyskowe

Ryc.2. Konfiguracja lasera dyskowego (zwierciadła aktywnego) zaprezentowana w 1992 roku na SPIE .

Początkowo lasery dyskowe nazywano aktywnymi lustrami , ponieważ ośrodek wzmocnienia lasera dyskowego jest zasadniczo zwierciadłem optycznym o współczynniku odbicia większym od jedności. Aktywne lustro to cienki dwuprzebiegowy wzmacniacz optyczny w kształcie dysku .

Pierwsze aktywne lustra zostały opracowane w Laboratorium Energetyki Laserowej (Stany Zjednoczone). Skalowalny laser Nd: YAG z dyskiem pompowanym na końcu diody został zaproponowany w konfiguracji z aktywnym zwierciadłem Talbota.

Następnie koncepcja została opracowana w różnych grupach badawczych, w szczególności na Uniwersytecie w Stuttgarcie (Niemcy) dla okularów domieszkowanych Yb.

W laserze dyskowym $.$ nie musi być przezroczysty, więc może być niezwykle wydajny nawet przy dużych rozmiarach poprzecznych urządzenia (ryc. 1) Zwiększenie rozmiaru pozwala na skalowanie mocy do wielu kilowatów bez znaczącej modyfikacji konstrukcji.

Granica skalowania mocy dla laserów dyskowych

Ryc.3. Odbijający się promień ASE w laserze dyskowym

Moc takich laserów jest ograniczona nie tylko dostępną mocą pompy, ale także przegrzaniem, wzmocnioną emisją spontaniczną (ASE) i stratami tła w obie strony . Aby uniknąć przegrzania, rozmiar $zwiększyć$ za pomocą skalowania mocy. Następnie $strat$ spowodowanych wykładniczym wzrostem ASE , wzmocnienie podróży poprzecznej może być duże $; wzmocnienie to jest określone przez współczynnik$ to zmniejszenia wzmocnienia $odbicia$ łącznika wyjściowego i . Zysk w obie $($ niż strata w obie strony różnica $!\beta ~}$$Displaystyle$$g \!$ określa energię optyczną, która jest wyprowadzana z wnęki lasera podczas każdej podróży w obie strony). Zmniejszenie wzmocnienia $.$ danej $stracie$$w$ obie strony grubości Następnie, przy pewnym krytycznym rozmiarze, dysk staje się zbyt gruby i nie można go przepompować powyżej progu bez przegrzania.

Niektóre cechy skalowania mocy można ujawnić na podstawie prostego modelu. ${\ Displaystyle Q ~}$ będzie intensywnością nasycenia ośrodka, ${p}} ~~}$${\ Displaystyle \ eta _ {0} = \ omega _ {\ rm {s}}/\ omega _ {\$$termicznego$ będzie stosunkiem częstotliwości, będzie parametrem obciążenia . P ${\ Displaystyle P _ {\ rm {k}} = \ eta _ {0} {\ Frac {R ^ {2}} {Q \ beta ^ {3}}$ określa maksymalną moc lasera dyskowego. Odpowiednią optymalną grubość można oszacować za pomocą ${\ Displaystyle h \ sim {\ Frac {R} {Q \ beta}}}$ . Odpowiedni optymalny rozmiar ${\ Displaystyle L \ sim {\ Frac {R} {Q \ beta ^ {2}}}}$ . Z grubsza strata w obie strony powinna skalować się odwrotnie proporcjonalnie do pierwiastka sześciennego wymaganej mocy.

Dodatkową kwestią jest efektywne dostarczanie energii pompy. Przy niskim wzmocnieniu w obie strony, absorpcja pompy w jednym przebiegu jest również niska. Dlatego do wydajnej pracy wymagany jest recykling energii pompy. (Patrz dodatkowe lustro M po lewej stronie rysunku 2.) W przypadku skalowania mocy medium powinno być optycznie cienkie i wymagać wielu przejść energii pompy; boczne dostarczanie energii pompy również może być możliwym rozwiązaniem.

Skalowanie laserów dyskowych poprzez samoobrazowanie

Cienkodyskowe lasery na ciele stałym pompowane diodami mogą być skalowane za pomocą poprzecznego blokowania modów we wnękach Talbota. Niezwykłą cechą skalowania Talbota jest to, że liczba Fresnela $F}$ laserów $displaystyle$ z blokadą fazową przez samoobrazowanie jest dana wzorem: fa {

${\ Displaystyle F = (N-1) ^ {2}.}$

Ograniczenie liczby emiterów synchronizowanych fazowo $wynika$ losowo rozłożonych zniekształceń fazowych w aktywnym lustrze rzędu ${\ Displaystyle \ lambda / 10 \ div \ lambda / 100 }$ .

Czapka anty-ASE

Rys. 4. Laser dyskowy odsłonięty i laser z niedomieszkowaną nasadką.

Aby zmniejszyć wpływ ASE, zasugerowano nasadkę anty-ASE składającą się z niedomieszkowanego materiału na powierzchni lasera dyskowego. Taka nasadka pozwala spontanicznie emitowanym fotonom na ucieczkę z warstwy aktywnej i zapobiega ich rezonansowi we wnęce. Promienie nie mogą się odbijać (Rysunek 3), jak w przypadku nieosłoniętego dysku. Mogłoby to umożliwić wzrost o rząd wielkości maksymalnej mocy osiągalnej przez laser dyskowy. W obu przypadkach odbicie zwrotne środowiska ASE od krawędzi dysku powinno być stłumione. Można tego dokonać za pomocą warstw absorbujących, zaznaczonych kolorem zielonym na rysunku 4. Podczas pracy w pobliżu mocy maksymalnej znaczna część energii trafia do ASE; w związku z tym warstwy pochłaniające również powinny być wyposażone w radiatory, których nie pokazano na rysunku.

$.$$,$ granica strat przy której moc wyjściowa pojedynczego lasera dyskowego jest nadal osiągalna Linia przerywana odpowiada odkrytemu dyskowi; gruba ciągła krzywa przedstawia przypadek z niedomieszkowaną nasadką.

Kluczowy parametr dla materiałów laserowych

Oszacowanie maksymalnej mocy osiągalnej przy danej stracie ${\ displaystyle \ beta$ bardzo wrażliwe na $}$ . Oszacowanie górnej granicy $przy$$solidne$ pożądana moc wyjściowa, . To oszacowanie jest wykreślone w funkcji znormalizowanej mocy na rysunku 5. ${\ Displaystyle s = P _ {\ rm {s}} / P _ {\ rm {d}}}$ na rysunku 5. Tutaj $}}$${\ Displaystyle P_ { \ rm {$$wymiarowa$ lasera, a skala mocy jest to związane z kluczowym parametrem ${\ Displaystyle P _ {\ rm {k}} = P _ {\ rm {d}}/\ beta ^ {3}}$ . Gruba przerywana linia reprezentuje oszacowanie dla odkrytego dysku. Gruba linia ciągła pokazuje to samo dla krążka z niedomieszkowaną nasadką. Cienka $linia$ bez $szacunkom$ utraty . Oczekuje się $, że wszystkie przyszłe eksperymenty oraz symulacje$ i szacunki dadzą wartości , i poniżej niebieskiej krzywa dla dysków z nasadką anty-ASE. Można to interpretować jako prawo skalowania dla laserów dyskowych.

W pobliżu wspomnianych krzywych wydajność lasera dyskowego jest niska; większość mocy pompowania trafia do ASE i jest pochłaniana na krawędziach urządzenia. W takich przypadkach dystrybucja energii pompy dostępnej na kilka dysków może znacznie poprawić wydajność laserów. Rzeczywiście, niektóre lasery zgłosiły użycie kilku elementów połączonych w tej samej wnęce.

Działanie pulsacyjne

Podobne prawa skalowania obowiązują w przypadku pracy impulsowej. W reżimie fali quasi ciągłej maksymalną moc średnią można oszacować, skalując intensywność nasycenia ze współczynnikiem wypełnienia pompy i iloczynem czasu trwania pompy do częstotliwości powtarzania. W przypadku impulsów o krótkim czasie trwania wymagana jest bardziej szczegółowa analiza. $tła$ strat ; niedomieszkowany kołpak może zapewnić dodatkowy rząd wielkości średniej mocy wyjściowej, pod warunkiem, że ten kołpak nie przyczynia się do utraty tła. Przy małej częstotliwości powtarzania (i to w reżimie pojedynczych impulsów) i wystarczającej mocy pompy nie ma ogólnego limitu energii, ale wymagana wielkość urządzenia szybko rośnie wraz ze wzrostem wymaganej energii impulsu, wyznaczając praktyczną granicę energii; szacuje się, że w impulsie optycznym z pojedynczego elementu aktywnego można wydobyć od kilku do kilku tysięcy dżuli, w zależności od poziomu wewnętrznego tłumienia tła sygnału na dysku.

Zobacz też

• VCSEL
• VECSEL
• Szok termiczny
• Zysk w obie strony
• Skalowanie mocy
• Uzyskaj średni
• Lista artykułów laserowych