Skalowanie mocy lasera

Skalowanie mocy lasera to zwiększanie jego mocy wyjściowej bez zmiany geometrii, kształtu czy zasady działania. Skalowalność mocy jest uważana za ważną zaletę w projektowaniu laserów. oznacza to, że może zwiększyć moc bez zmiany zewnętrznych funkcji!

Zwykle skalowanie mocy wymaga mocniejszego źródła pompy , mocniejszego chłodzenia i zwiększenia rozmiaru. Może to również wymagać zmniejszenia tłumienia tła w rezonatorze laserowym , aw szczególności w ośrodku wzmacniającym .

MOPA

Najpopularniejszym sposobem na osiągnięcie skalowalności mocy jest podejście „MOPA” (Master Oscillator Power Amplifier). Główny oscylator wytwarza wysoce spójną wiązkę, a wzmacniacz optyczny służy do zwiększenia mocy wiązki przy zachowaniu jej głównych właściwości. Główny oscylator nie musi być mocny i nie musi działać z wysoką sprawnością, ponieważ o sprawności decyduje głównie wzmacniacz mocy. Połączenie kilku wzmacniaczy laserowych zaszczepionych przez wspólny główny oscylator jest podstawową koncepcją Ośrodka Badawczego Energii Lasera Dużej Mocy .

Z natury skalowalne projekty

Lasery dyskowe

Konfiguracja lasera dyskowego zaprezentowana w 1992 roku na konferencji SPIE .

Jednym z typów laserów na ciele stałym zaprojektowanym do dobrego skalowania mocy jest laser dyskowy (lub „aktywne lustro”). Uważa się, że takie lasery są skalowalne do mocy kilku kilowatów z pojedynczego elementu aktywnego w trybie fali ciągłej .

Wzmocniona emisja spontaniczna , przegrzanie i utrata w obie strony wydają się być najważniejszymi procesami ograniczającymi moc laserów dyskowych . W celu skalowania mocy w przyszłości wymagane jest zmniejszenie strat w obie strony i/lub połączenie kilku elementów aktywnych.

Lasery światłowodowe

Lasery światłowodowe to kolejny rodzaj lasera na ciele stałym o dobrym skalowaniu mocy. Skalowanie mocy laserów światłowodowych jest ograniczone przez rozpraszanie Ramana i rozpraszanie Brillouina oraz fakt, że takie lasery nie mogą być bardzo długie. Ograniczona długość włókien podwójnie płaszczowych ogranicza użyteczną moc pompy wielomodowej , ponieważ pompa nie jest skutecznie absorbowana w aktywnym rdzeniu światłowodu. Optymalizacja kształtu okładziny może rozszerzyć granicę skalowania mocy.

Lasery światłowodowe

Granicę skalowania mocy laserów światłowodowych można rozszerzyć poprzez boczne podawanie pompy. Jest to realizowane w tak zwanych światłowodowych laserach dyskowych. Pompa w takim laserze jest dostarczana z boku dysku, wykonanego ze zwiniętego włókna z domieszkowanym rdzeniem. Kilka takich dysków (z płynem chłodzącym między nimi) można połączyć w stos.

Problem z radiatorem

Skalowanie mocy jest ograniczone zdolnością do odprowadzania ciepła. Przewodność cieplna materiałów przeznaczonych do efektywnego działania lasera jest zwykle niewielka w porównaniu z materiałami optymalnymi do przenoszenia ciepła ( metale , diamenty ). Aby skutecznie odprowadzić ciepło z kompaktowego urządzenia, medium aktywnym powinna być wąska płyta; aby dać przewagę wzmocnieniu światła w pożądanym kierunku nad ASE , energia i głowa zostałyby wycofane w kierunkach ortogonalnych, jak pokazano na rysunku. Przy małej stracie tła (zwykle na poziomie 0,01 lub 0,001) ciepło i światło mogą być odprowadzane w przeciwnych kierunkach, co pozwala elementom aktywnym na dużą aperturę. W tym przypadku do skalowania mocy stosuje się łączenie kilku elementów aktywnych.

Spójne dodawanie i łączenie belek

Spójny dodatek 4 laserów światłowodowych.

Skalowalność można również osiągnąć poprzez łączenie oddzielnych wiązek laserowych. Całkowicie niezależnych wiązek zwykle nie można łączyć w celu wytworzenia wiązki o wyższym promieniowaniu niż każda wiązka osobno. Belki można łączyć tylko wtedy, gdy są ze sobą spójne . Belki takie można łączyć aktywnie lub pasywnie.

W pasywnym łączeniu (lub spójnym dodawaniu ) laserów tylko kilka modów wspólnych dla wszystkich połączonych laserów może przekraczać próg lasera . Zgłoszono wydajne pasywne łączenie ośmiu laserów. Dalsze skalowanie mocy wymaga wykładniczego wzrostu pasma wzmocnienia i /lub długości poszczególnych laserów.

Aktywne łączenie oznacza pomiar w czasie rzeczywistym fazy wyjścia poszczególnych laserów i szybką regulację w celu utrzymania ich wszystkich w fazie. Takiej regulacji można dokonać za pomocą optyki adaptacyjnej , która jest skuteczna w tłumieniu szumu fazowego przy częstotliwościach akustycznych . Badane są szybsze schematy oparte na przełączaniu całkowicie optycznym.

  1. ^ ab ; K. Ueda   N. Uehara (1993). Chung, YC (red.). „Lasery półprzewodnikowe pompowane diodami laserowymi do anteny fal grawitacyjnych” . Obrady SPIE . Lasery ze stabilizacją częstotliwości i ich zastosowania. 1837 : 336–345. Bibcode : 1993SPIE.1837..336U . doi : 10.1117/12.143686 . S2CID 122045469 . [ martwy link ]
  2. Bibliografia   _ H. Hugel; A. Voss; K. Wittiga; U. Braucha; H. Opower (1994). „Skalowalna koncepcja laserów na ciele stałym dużej mocy pompowanych diodami”. Fizyka stosowana B. 58 (5): 365–372. Bibcode : 1994ApPhB..58..365G . doi : 10.1007/BF01081875 . S2CID 121158745 .
  3. ^ D. Kuzniecow; J.-F.Bisson; J.Dong; K.Ueda (2006). „Granica strat powierzchniowych skalowania mocy lasera cienkodyskowego”. JOSA B. 23 (6): 1074–1082. Bibcode : 2006JOSAB..23.1074K . doi : 10.1364/JOSAB.23.001074 .
  4. ^   Kouzniecow D.; Moloney, JV (2003). „Wysoce wydajny, o dużym wzmocnieniu, krótkiej długości i skalowalnej mocy niespójny wzmacniacz / laser pompowany diodą”. IEEE Journal of Quantum Electronics . 39 (11): 1452–1461. Bibcode : 2003IJQE...39.1452K . CiteSeerX 10.1.1.196.6031 . doi : 10.1109/JQE.2003.818311 .
  5. ^ Kouzniecow D.; Moloney, JV (2003). „Wydajność absorpcji pompy we wzmacniaczach światłowodowych z podwójnym płaszczem. 2: Złamana symetria kołowa”. JOSA B. 39 (6): 1259-1263. Bibcode : 2002JOSAB..19.1259K . doi : 10.1364/JOSAB.19.001259 .
  6. Bibliografia _ S.Fevrier; V. Doya; P. Roy; D. Pagnoux (2003). „Modelowanie i optymalizacja dwupłaszczowych wzmacniaczy światłowodowych z wykorzystaniem chaotycznej propagacji pompy”. Technologia światłowodów . 7 (4): 324–339. Bibcode : 2001OptFT...7..324L . doi : 10.1006/często.2001.0361 .
  7. Bibliografia _ K. Ueda (1996). „Charakterystyka absorpcji włókien okrągłych, offsetowych i prostokątnych podwójnie płaszczowych”. Komunikacja optyczna . 132 (5–6): 511–518. Bibcode : 1996OptCo.132..511A . doi : 10.1016/0030-4018(96)00368-9 .
  8. ^ K. Ueda; A. Liu (1998). „Przyszłość laserów światłowodowych dużej mocy” . Fizyka laserowa . 8 : 774–781.
  9. ^    K. Ueda (1999). „Skalowanie fizyki dyskowych laserów światłowodowych dla mocy wyjściowej kW”. 1999 IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proceedings. LEOS'99. 12. doroczne spotkanie. Doroczne spotkanie IEEE Lasers and Electro-Optics Society 1999 (nr kat. 99CH37009) . Towarzystwo Laserów i Elektrooptyki . Tom. 2. s. 788–789. doi : 10.1109/leos.1999.811970 . ISBN 978-0-7803-5634-4 . S2CID 120732530 .
  10. Bibliografia    _ Sekiguchi H.; Matsuoka Y.; Miyajima H.; H. Kan (1999). Projekt koncepcyjny światłowodowych laserów dyskowych i rurowych klasy kW . Towarzystwo Laserów i Elektrooptyki 1999 12. doroczne spotkanie. LEOS '99. IEEE . Tom. 2. s. 217–218. doi : 10.1109/CLEOPR.1999.811381 . ISBN 978-0-7803-5661-0 . S2CID 30251829 .
  11. ^ Hamamatsu KK (2006). „Wyjaśnienie lasera z dyskiem światłowodowym” . Fotonika przyrody . próbka: 14–15. doi : 10.1038/nphoton.2006.6 .
  12. Bibliografia   _ T. Satou; T. Sekiguchi; K. Ueda (2002). „Spójne dodawanie laserów światłowodowych za pomocą łącznika światłowodowego” . Ekspres optyczny . 10 (21): 1167–1172. Bibcode : 2002OExpr..10.1167S . doi : 10.1364/oe.10.001167 . PMID 19451976 .
  13. ^   D. Kouzniecow; J.-F. Bisson; A. Shirakawy; K. Ueda (2005). „Granice spójnego dodawania laserów: proste oszacowanie” . Przegląd optyczny . 12 (6): 445–447. Bibcode : 2005OptRv..12..445K . doi : 10.1007/s10043-005-0445-8 . S2CID 27508450 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2007-09-27 . Źródło 2007-03-18 .