Твердотельный лазер с диодной накачкой ( DPSSL ) — твердотельный лазер, изготовленный путем накачки твердой усиливающей среды , например, кристалла YAG, легированного рубином или неодимом , с помощью лазерного диода .
DPSSL имеют преимущества в компактности и эффективности по сравнению с другими типами, а мощные DPSSL заменили ионные лазеры и лазеры с импульсной ламповой накачкой во многих научных приложениях и теперь широко используются в зеленых и других цветных лазерных указках .
Длина волны лазерных диодов настраивается с помощью температуры для достижения оптимального компромисса между коэффициентом поглощения в кристалле и энергоэффективностью (минимально возможная энергия фотонов накачки). Поскольку потери энергии ограничиваются тепловой линзой, это означает более высокую плотность мощности по сравнению с газоразрядными лампами высокой интенсивности .
В мощных лазерах используется один кристалл, но многие лазерные диоды расположены полосами (несколько диодов рядом друг с другом на одной подложке) или стопками (стопками подложек). Эту диодную сетку можно отобразить на кристалле с помощью линзы . Более высокая яркость (что приводит к лучшему профилю луча и увеличению срока службы диодов) достигается за счет оптического удаления темных областей между диодами, которые необходимы для охлаждения и подачи тока. Это делается в два этапа:
Лучи от нескольких диодов также можно объединить, соединив каждый диод в оптическое волокно , которое размещается точно над диодом (но за микролинзой). На другом конце пучка волокон волокна сплавляются вместе, образуя однородный круглый профиль без зазоров на кристалле. Это также позволяет использовать удаленный источник питания.
Лазерные диоды высокой мощности изготавливаются в виде стержней с несколькими одиночными полосковыми лазерными диодами, расположенными рядом друг с другом.
Каждый одиночный полосковый диод обычно имеет активный объем:
и в зависимости от способа охлаждения всего стержня (от 100 до 200) мкм расстояние до следующего лазерного диода.
Торец диода вдоль быстрой оси можно отобразить на полоске высотой 1 мкм. Но торцевую грань вдоль медленной оси можно отобразить на площади меньшей, чем 100 мкм. Это происходит из-за небольшого расхождения (отсюда и название: «медленная ось»), которое определяется соотношением глубины к ширине. Используя приведенные выше числа, можно отобразить быструю ось в пятне шириной 5 мкм.
Таким образом, чтобы получить луч с одинаковой расходимостью по обеим осям, торцы стержня, состоящего из 5 лазерных диодов, можно отобразить с помощью 4 (цилиндрических) цилиндрических линз на плоскости изображения с 5 пятнами каждое размером 5. мм х 1 мм. Такой большой размер необходим для пучков с малой расходимостью. Низкая расходимость позволяет использовать параксиальную оптику, которая дешевле и используется для генерации не только пятна, но и длинной перетяжки луча внутри лазерного кристалла (длина = 50 мм), которая должна накачиваться через его торцы.
Также в параксиальном случае гораздо проще использовать золотые или медные зеркала или стеклянные призмы, чтобы сложить пятна друг на друга и получить профиль луча 5 х 5 мм. Вторая пара (сферических) линз отображает этот квадратный профиль луча внутри лазерного кристалла.
Активный объем лазерного диода 0,001 мм 3 способен насытить 1250 мм 3 кристалла Nd:YVO 4 .
Наиболее распространенной используемой DPSSL является зеленая лазерная указка с длиной волны 532 нм . Мощный (>200 мВт ) инфракрасный лазерный диод GaAlAs с длиной волны 808 нм накачивает легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат (Nd:YAG) или кристалл ортованадата иттрия, легированный неодимом (Nd:YVO 4 ), который излучает свет с длиной волны 1064 нм от основного источника света. спектральный переход иона неодима . Затем частота этого света удваивается с помощью нелинейного оптического процесса в кристалле KTP , создавая свет с длиной волны 532 нм. Зеленые DPSSL обычно имеют эффективность около 20%, хотя некоторые лазеры могут достигать эффективности до 35%. Другими словами, ожидается, что зеленый DPSSL с диодом накачки мощностью 2,5 Вт будет выдавать около 500–900 мВт света с длиной волны 532 нм.
В оптимальных условиях эффективность преобразования Nd:YVO 4 составляет 60%, [1] тогда как эффективность преобразования KTP составляет 80%. [2] Другими словами, зеленый DPSSL теоретически может иметь общую эффективность 48%.
В области очень высоких выходных мощностей кристалл KTP становится чувствительным к оптическим повреждениям. Таким образом, мощные DPSSL обычно имеют больший диаметр луча, поскольку лазер с длиной волны 1064 нм расширяется до того, как достигнет кристалла KTP, уменьшая излучение инфракрасного света. Чтобы сохранить меньший диаметр луча, вместо него используется кристалл с более высоким порогом разрушения, например триборат лития (LBO).
В синих DPSSL используется почти идентичный процесс, за исключением того, что свет с длиной волны 808 нм преобразуется кристаллом Nd:YAG в свет с длиной волны 946 нм (выбирая эту неосновную спектральную линию неодима в тех же кристаллах, легированных неодимом), который затем становится частотным. -удвоен до 473 нм кристаллом бета-бората бария (BBO) или кристаллом LBO. Из-за более низкого усиления материалов синие лазеры относительно слабы и имеют эффективность всего около 3-5%. В конце 2000-х годов было обнаружено, что кристаллы трибората висмута (BiBO) более эффективны, чем BBO или LBO, для генерации второй гармоники в лазерах с синхронизацией мод и не имеют такого недостатка, как гигроскопичность [ 3] , что ухудшает качество кристалла, если он подвергается воздействию влаги. Однако в применениях лазеров непрерывного действия BiBO может проявлять нестабильность, ухудшающую его характеристики. [4]
В желтых DPSSL используется еще более сложный процесс: диод накачки с длиной волны 808 нм используется для генерации света с длиной волны 1064 нм и 1342 нм, которые суммируются параллельно и дают длину волны 593,5 нм. Из-за своей сложности большинство желтых DPSSL имеют эффективность всего около 1% и обычно дороже на единицу мощности.
Другой метод — генерировать свет с длиной волны 1064 и 1319 нм, которые в сумме дают 589 нм. [5] Этот процесс более эффективен: около 3% мощности диода накачки преобразуется в желтый свет. [6]
DPSSL и диодные лазеры — два наиболее распространенных типа твердотельных лазеров. Однако оба типа имеют свои преимущества и недостатки.
DPSSL обычно имеют более высокое качество луча и могут достигать очень высокой мощности, сохраняя при этом относительно хорошее качество луча. Поскольку кристалл, накачиваемый диодом, действует как собственный лазер, качество выходного луча не зависит от качества входного луча. Для сравнения, диодные лазеры могут достигать мощности всего в несколько сотен милливатт, если они не работают в многократных поперечных режимах. Такие многомодовые лазеры имеют больший диаметр луча и большую расходимость, что часто делает их менее желательными. Фактически, одномодовая работа необходима в некоторых приложениях, например, в оптических приводах . [7]
С другой стороны, диодные лазеры дешевле и более энергоэффективны. Поскольку кристаллы DPSSL не имеют 100% эффективности, некоторая мощность теряется при преобразовании частоты. DPSSL также более чувствительны к температуре и могут оптимально работать только в небольшом диапазоне. В противном случае у лазера возникнут проблемы со стабильностью, такие как переключение между режимами и большие колебания выходной мощности. DPSSL также требуют более сложной конструкции.
Диодные лазеры также можно точно модулировать с большей частотой, чем DPSSL.
Твердотельные лазеры, легированные неодимом, продолжают оставаться предпочтительным лазерным источником для промышленных применений. Прямая накачка верхнего уровня неодимового лазера на длине волны 885 нм (вместо более традиционного широкого диапазона 808 нм) открывает потенциал улучшения производительности за счет уменьшения квантового дефекта генерации, тем самым повышая эффективность системы, уменьшая требования к охлаждению и обеспечивая дальнейшее масштабирование мощности TEM00. Из-за узкой характеристики поглощения на длине волны 885 нм в Nd:YAG некоторые системы могут извлечь выгоду из использования источников диодной накачки с синхронизацией по длине волны, которые служат для сужения и стабилизации спектра излучения накачки, чтобы поддерживать его точное соответствие этой особенности поглощения. На сегодняшний день схемы блокировки мощных диодных лазеров, такие как брэгговские решетки с внутренней распределенной обратной связью и оптика с объемной голографической решеткой с внешней ориентацией, VHG, не получили широкого распространения из-за повышенной стоимости и предполагаемого снижения производительности этой технологии. Однако последние достижения в производстве стабилизированных источников диодной накачки, в которых используется внешняя синхронизация длины волны, теперь обеспечивают улучшенные спектральные свойства с практически нулевым влиянием на мощность и эффективность. [8] Преимущества этого подхода включают повышение эффективности лазера, ширины спектральной линии и эффективности накачки.