Дисковый лазер

Рисунок 1. Дисковый лазер с оптической накачкой (активное зеркало).

Дисковый лазер или активное зеркало (рис.1) представляет собой тип твердотельного лазера с диодной накачкой , характеризующийся радиатором и выходом лазера, которые реализованы на противоположных сторонах тонкого слоя активной усиливающей среды . ^[1] Несмотря на название, дисковые лазеры не обязательно должны быть круглыми; были опробованы и другие формы. Толщина диска значительно меньше диаметра лазерного луча. Первоначально такая конфигурация лазерного резонатора была предложена ^[2] и реализована экспериментально для тонкослойных полупроводниковых лазеров. ^[3]

Концепции дискового лазера обеспечивают очень высокую среднюю и пиковую мощность ^[4] из-за его большой площади, что приводит к умеренной плотности мощности на активном материале.

Активные зеркала и дисковые лазеры

Рис.2. Конфигурация дискового лазера (активного зеркала), представленная в 1992 году на конференции SPIE . ^[5]

Первоначально дисковые лазеры назывались активными зеркалами , поскольку усиливающая среда дискового лазера по сути представляет собой оптическое зеркало с коэффициентом отражения больше единицы. Активное зеркало представляет собой тонкий дискообразный двухпроходной оптический усилитель .

Первые активные зеркала были разработаны в Лаборатории лазерной энергетики (США). ^[6] Масштабируемый дисковый Nd:YAG-лазер с диодной накачкой был предложен в ^[7] в конфигурации активного зеркала Тальбота. ^[8]

Затем концепция была развита в различных исследовательских группах, в частности, в Штутгартском университете (Германия) ^[9] для стекол, легированных Yb:.

В дисковом лазере радиатор не обязательно должен быть прозрачным, поэтому он может быть чрезвычайно эффективным даже при больших поперечных размерах устройства (рис.1). Увеличение размеров позволяет масштабировать мощность до многих киловатт без существенной модификации конструкции. ^[10] ${\displaystyle ~L~}$

Предел масштабирования мощности дисковых лазеров

Рис.3. Отскакивающий луч ASE в дисковом лазере

Мощность таких лазеров ограничена не только доступной мощностью накачки, но также перегревом, усиленным спонтанным излучением (ASE) и фоновыми двусторонними потерями . ^[11] Во избежание перегрева размер следует увеличивать с помощью масштабирования мощности. Тогда, чтобы избежать сильных потерь из-за экспоненциального роста ASE , выигрыш от поперечного отключения не может быть большим. Это требует уменьшения выигрыша ; этот коэффициент усиления определяется отражательной способностью выходного ответвителя и толщиной . Прирост в обоих направлениях должен оставаться больше, чем потери в обоих направлениях (разница определяет оптическую энергию, которая выводится из резонатора лазера при каждом обходе). Уменьшение усиления при заданных двусторонних потерях требует увеличения толщины . Затем при каком-то критическом размере диск становится слишком толстым и его невозможно накачать выше порога без перегрева. ${\displaystyle ~L~}$ ${\displaystyle ~u=GL~}$ ${\displaystyle G~}$ ${\displaystyle ~h}$ ${\displaystyle ~g=2Gh~}$ ${\displaystyle \beta ~}$ ${\displaystyle g\!-\!\beta ~}$ ${\displaystyle G~}$ ${\displaystyle ~\beta ~}$ ${\displaystyle h}$

Некоторые особенности масштабирования мощности можно выявить на примере простой модели. Пусть – интенсивность насыщения , ^{[11] [12]} среды, – соотношение частот, – параметр тепловой нагрузки . Ключевой параметр определяет максимальную мощность дискового лазера. Соответствующую оптимальную толщину можно оценить с помощью . Соответствующий оптимальный размер . Грубо говоря, двусторонние потери должны масштабироваться обратно пропорционально кубическому корню из требуемой мощности. ${\displaystyle Q~}$ ${\displaystyle \eta _{0}=\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}~~}$ ${\displaystyle R~}$ ${\displaystyle P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~}$ ${\displaystyle h\sim {\frac {R}{Q\beta }}}$ ${\displaystyle L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}}$

Дополнительной проблемой является эффективная доставка энергии насоса. При низком коэффициенте усиления в обоих направлениях однопроходное поглощение насоса также невелико. Поэтому для эффективной работы необходима утилизация энергии насоса. (См. дополнительное зеркало M в левой части рисунка 2.) Для масштабирования мощности среда должна быть оптически тонкой , при этом требуется много проходов энергии накачки; возможным решением также может быть латеральная доставка энергии накачки ^{[12] .}

Масштабирование дисковых лазеров посредством самоизображения

Твердотельные лазеры с тонкими дисками с диодной накачкой можно масштабировать посредством поперечной синхронизации мод в резонаторах Тальбота. ^[8] Замечательной особенностью масштабирования Тальбота является то, что число Френеля элемента лазерной решетки, синхронизированного по фазе посредством самоизображения, определяется выражением: ^[7] ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle N-}$

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

Ограничение на количество эмиттеров с фазовой синхронизацией обусловлено случайным распределением фазовых искажений по активному зеркалу порядка . ^[13] ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \lambda /10\div \lambda /100}$

Анти-ASE колпачок

Рис. 4. Дисковый лазер без покрытия и с нелегированным колпачком. ^[14]

Для снижения влияния ASE на поверхность дискового лазера предложен анти-ASE-колпачок из нелегированного материала. ^{[15] [16]} Такая крышка позволяет спонтанно испускаемым фотонам выходить из активного слоя и предотвращает их резонанс в резонаторе. Лучи не могут отскакивать (рис. 3), как в непокрытом диске. Это могло бы позволить на порядок увеличить максимальную мощность, достижимую дисковым лазером. ^[14] В обоих случаях обратное отражение УСИ от краев диска должно быть подавлено. Это можно сделать с помощью поглощающих слоев, показанных на рисунке 4 зеленым цветом. При работе, близкой к максимальной мощности, значительная часть энергии уходит в ASE; поэтому поглощающие слои также должны быть снабжены теплоотводами, которые на рисунке не показаны.

Рис. 5. Верхняя граница потерь, при которой еще достижима выходная мощность одиночного дискового лазера. Пунктирная линия соответствует непокрытому диску; толстая сплошная кривая представляет случай с нелегированной крышкой. ^[14] ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle P_{\rm {s}}}$

Ключевой параметр для лазерных материалов

Оценка максимальной мощности, достижимой при заданных потерях , очень чувствительна к . Оценка верхней границы , при которой достижима желаемая выходная мощность, является устойчивой. Эта оценка показана в зависимости от нормированной мощности на рисунке 5. Здесь – выходная мощность лазера, – размерный масштаб мощности; это связано с ключевым параметром . Толстая пунктирная линия представляет оценку непокрытого диска. То же самое показано толстой сплошной линией для диска с нелегированной крышкой. Тонкая сплошная линия представляет качественную оценку без коэффициентов. Кружки соответствуют экспериментальным данным по достигнутой мощности и соответствующим оценкам потерь фона . Ожидается, что все будущие эксперименты, численное моделирование и оценки дадут значения ниже красной пунктирной линии на рис.5 для непокрытых дисков и ниже синей кривой для дисков с крышкой anti-ASE. Это можно интерпретировать как закон масштабирования для дисковых лазеров. ^[17] ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle P_{\rm {s}}}$ ${\displaystyle s=P_{\rm {s}}/P_{\rm {d}}}$ ${\displaystyle P_{\rm {s}}}$ ${\displaystyle P_{\rm {d}}=R^{2}/Q}$ ${\displaystyle P_{\rm {k}}=P_{\rm {d}}/\beta ^{3}}$ ${\displaystyle \beta =s^{1/3}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle (\beta ,s)}$

Вблизи указанных кривых эффективность дискового лазера мала; большая часть мощности накачки поступает в ASE и поглощается на краях устройства. В этих случаях распределение имеющейся энергии накачки между несколькими дисками может существенно улучшить характеристики лазеров. Действительно, в некоторых лазерах сообщалось об использовании нескольких элементов, объединенных в одном резонаторе.

Импульсный режим

Аналогичные законы масштабирования имеют место и для импульсного режима работы. В режиме квазинепрерывных волн максимальную среднюю мощность можно оценить путем масштабирования интенсивности насыщения с коэффициентом заполнения насоса и произведения продолжительности накачки на частоту повторения. При импульсах малой длительности требуется более детальный анализ. ^[18] При умеренных значениях частоты следования (скажем, выше 1 Гц) максимальная энергия выходных импульсов примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь ; нелегированная крышка может обеспечить дополнительный порядок средней выходной мощности при условии, что эта крышка не способствует фоновым потерям. При низкой частоте следования (и в режиме одиночных импульсов) и достаточной мощности накачки общего ограничения энергии нет, но требуемые размеры устройства быстро растут с увеличением необходимой энергии импульса, устанавливая практический предел энергии; подсчитано, что в оптическом импульсе от одного активного элемента можно извлечь от нескольких джоулей до нескольких тысяч джоулей в зависимости от уровня фоновых внутренних потерь сигнала в диске. ^[19] ${\displaystyle \beta }$

Смотрите также

• ВКСЭЛ
• ВЕКСЕЛ
• Тепловой удар
• Прибыль туда и обратно
• Масштабирование мощности
• Усиление среднее
• Список лазерных статей

Рекомендации

1. «Тонкие дисковые лазеры». Энциклопедия лазерной физики и техники .
2. Басов, Н.Г.; Богданкевич О.В.; Грасюк, А.З. (1966). «Полупроводниковые лазеры с излучающими зеркалами». Журнал IEEE по квантовой электронике . 2 (4): 9 Б4. Бибкод : 1966IJQE....2Q.154B. дои : 10.1109/JQE.1966.1073948.
3. Богданкевич, О.В.; Дарзнек, SA; Печенов А.Н.; Васильев, Б.И.; Зверев, М. М. (1973). «Полупроводниковые лазеры с излучающими зеркалами». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (2): 342–347. дои : 10.1109/JQE.1973.1077470.
4. «Новый лазерный рекорд на тонком диске: 1,1 кВт, 1,4 мДж / 7 пс, 800 кГц, M2 <1,25» . Institut für Strahlwerkzeuge — Штутгартский университет . Архивировано из оригинала 21 апреля 2018 г.
5. К. Уэда; Н. Уэхара (1993). Чунг, Ю.К. (ред.). «Твердотельные лазеры с лазерно-диодной накачкой для гравитационно-волновой антенны». Труды SPIE . Лазеры со стабилизацией частоты и их применение. 1837 : 336–345. Бибкод : 1993SPIE.1837..336U. дои : 10.1117/12.143686. S2CID  122045469.
6. А.Абате; Л.Лунд; Д.Браун; С.Джейкобс; С.Рефермат; Дж.Келли; М.Гэвин; Дж.Вальдбиллиг; О.Льюис (1981). «Активное зеркало: усилитель из неодимового стекла с большой апертурой и средней частотой повторения». Прикладная оптика . 1837 (2): 351–361. Бибкод : 1981ApOpt..20..351A. дои : 10.1364/AO.20.000351. ПМИД  20309114.
7. Окулов, А Ю (1990). «Двумерные периодические структуры в нелинейном резонаторе». ЖОСА Б. 7 (6): 1045–1050. Бибкод : 1990JOSAB...7.1045O. дои : 10.1364/JOSAB.7.001045.
8. Окулов, А Ю (1993). «Масштабирование твердотельных лазеров с диодной накачкой посредством самоизображения». Опция Коммун . 99 (5–6): 350–354. Бибкод : 1993OptCo..99..350O. дои : 10.1016/0030-4018(93)90342-3.
9. А. Гизен; Х. Хюгель; А. Восс; К. Виттиг; У. Браух; Х. Опауэр (1994). «Масштабируемая концепция мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой». Прикладная физика Б. 58 (5): 365–372. Бибкод : 1994ApPhB..58..365G. дои : 10.1007/BF01081875. S2CID  121158745.
10. К.Стивен; К.Контаг; М.Ларионов; А.Гизен; Х.Хюгель (2000). «Тонкий дисковый лазер непрерывного действия мощностью 1 кВт». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 6 (4): 650–657. Бибкод : 2000IJSTQ...6..650S. дои : 10.1109/2944.883380. ISSN  1077-260X. S2CID  35197307. Регистрационный номер NSPEC 6779337.
11. Д. Кузнецов; Дж. Ф. Биссон; Дж. Донг; К. Уэда (2006). «Предел поверхностных потерь масштабирования мощности лазера на тонком диске». ЖОСА Б. 23 (6): 1074–1082. Бибкод : 2006JOSAB..23.1074K. дои : 10.1364/JOSAB.23.001074. S2CID  59505769.; [1] ^{[ постоянная неработающая ссылка ]}
12. Д.Кузнецов; Дж. Ф. Биссон; К.Такаити; К.Уэда (2005). «Одномодовый твердотельный лазер с коротким широким неустойчивым резонатором». ЖОСА Б. 22 (8): 1605–1619. Бибкод : 2005JOSAB..22.1605K. дои : 10.1364/JOSAB.22.001605.
13. Окулов, А Ю (1991). «Влияние шероховатости оптических элементов на поперечную структуру светового поля в нелинейном резонаторе Тальбота». Журнал современной оптики . 38 (10): 1887–1890. Бибкод : 1991JMOp...38.1887O. дои : 10.1080/09500349114551991.
14. Д.Кузнецов; Дж. Ф. Биссон (2008). «Роль нелегированной крышки в масштабировании лазеров на тонких дисках». ЖОСА Б. 25 (3): 338–345. Бибкод : 2008JOSAB..25..338K. дои : 10.1364/JOSAB.25.000338. S2CID  55659195.
15. Стивен А. Пейн; Уильям Ф. Крупке; Рэймонд Дж. Бич; Стивен Б. Саттон; Эрик С. Хонеа; Камилла Бибо; Говард Пауэл (2002). «Масштабируемый тонкодисковый лазер высокой средней мощности». Патент США . 6347109 . Архивировано из оригинала 16 января 2009 г.
16. Бич, Рэймонд Дж.; Хонеа, Эрик С.; Бибо, Камилла; Пейн, Стивен А.; Пауэлл, Ховард; Крупке, Уильям Ф.; Саттон, Стивен Б. (2002). «Масштабируемый тонкодисковый лазер высокой средней мощности». Патент США . 6347109 .
17. Д.Кузнецов; Ж.-Ф.Биссон, К.Уэда (2009). «Законы масштабирования дисковых лазеров» (PDF) . Оптические материалы . 31 (5): 754–759. Бибкод : 2009OptMa..31..754K. CiteSeerX 10.1.1.694.3844 . doi :10.1016/j.optmat.2008.03.017. 
18. Д.Кузнецов (2008). «Хранение энергии в дискообразных лазерных материалах». Исследовательские письма по физике . 2008 : 1–5. Бибкод : 2008RLPhy2008E..17K. дои : 10.1155/2008/717414 .
19. Дж. Спейзер (2009). «Масштабирование лазеров на тонких дисках - влияние усиленного спонтанного излучения». ЖОСА Б. 26 (1): 26–35. Бибкод : 2008JOSAB..26...26S. дои : 10.1364/JOSAB.26.000026.