Дисковый лазер

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

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

Концепции дискового лазера позволяют достичь очень высокой средней и пиковой мощности ^[4] благодаря большой площади, что приводит к умеренной плотности мощности на активном материале.

Активные зеркала и дисковые лазеры

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

Первоначально дисковые лазеры назывались активными зеркалами , поскольку усиливающей средой дискового лазера по сути является оптическое зеркало с коэффициентом отражения больше единицы. Активное зеркало представляет собой тонкий дисковый двухпроходный оптический усилитель .

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

Затем эта концепция была разработана в различных исследовательских группах, в частности, в Университете Штутгарта (Германия) ^[9] для стекол, легированных Yb.

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

Предел масштабирования мощности для дисковых лазеров

Рис.3. Отражающийся луч УСИ в дисковом лазере

Мощность таких лазеров ограничена не только доступной мощностью накачки, но и перегревом, усиленным спонтанным излучением (ASE) и фоновыми потерями на круговой обход . ^[11] Чтобы избежать перегрева, размер следует увеличивать с масштабированием мощности. Затем, чтобы избежать сильных потерь из-за экспоненциального роста ASE , усиление поперечного обхода не может быть большим. Это требует уменьшения усиления ; это усиление определяется отражательной способностью выходного соединителя и толщиной . Усиление на круговой обход должно оставаться больше потерь на круговой обход (разница определяет оптическую энергию, которая выводится из лазерного резонатора при каждом круговом обходе). Уменьшение усиления при заданных потерях на круговой обход требует увеличения толщины . Затем, при некотором критическом размере, диск становится слишком толстым и не может быть накачан 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 из простой модели. Пусть будет интенсивностью насыщения , ^{[11] [12]} среды, будет отношением частот, будет параметром тепловой нагрузки . Ключевой параметр определяет максимальную мощность дискового лазера. Соответствующую оптимальную толщину можно оценить с помощью . Соответствующий оптимальный размер . Грубо говоря, потери на круговой обход должны масштабироваться обратно пропорционально кубическому корню требуемой мощности. ${\displaystyle Q~}$ ${\displaystyle \eta _{0}=\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}~~}$ ${\displaystyle R~}$ ${\displaystyle P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~}$ ${\displaystyle h\sim {\frac {R}{Q\beta }}}$ ${\displaystyle L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}}$

Дополнительным вопросом является эффективная подача энергии накачки. При низком коэффициенте усиления за два прохода поглощение накачки за один проход также низкое. Поэтому для эффективной работы требуется рециркуляция энергии накачки. (См. дополнительное зеркало M в левой части рисунка 2.) Для масштабирования мощности среда должна быть оптически тонкой , с большим количеством требуемых проходов энергии накачки; боковая подача энергии накачки ^[12] также может быть возможным решением.

Масштабирование дисковых лазеров посредством самоизображения

Тонкие дисковые твердотельные лазеры с диодной накачкой могут масштабироваться посредством поперечной синхронизации мод в резонаторах Тальбо. ^[8] Замечательная особенность масштабирования Тальбо заключается в том, что число Френеля элементной лазерной решетки, синхронизированной по фазе с помощью самоизображения, определяется по формуле: ^[7] ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle N-}$

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

Ограничение на количество фазово-синхронизированных излучателей обусловлено случайно распределенными фазовыми искажениями в активном зеркале порядка . ^[13] ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \lambda /10\div \lambda /100}$

Анти-ASE-колпачок

Рис. 4. Открытый дисковый лазер и лазер с нелегированным колпачком. ^[14]

Для уменьшения влияния ASE была предложена анти-ASE крышка, состоящая из нелегированного материала на поверхности дискового лазера. ^{[15] [16]} Такая крышка позволяет спонтанно испускаемым фотонам выходить из активного слоя и не дает им резонировать в полости. Лучи не могут отскакивать (рисунок 3), как в открытом диске. Это может позволить на порядок увеличить максимальную мощность, достижимую дисковым лазером. ^[14] В обоих случаях должно быть подавлено обратное отражение ASE от краев диска. Это можно сделать с помощью поглощающих слоев, показанных зеленым на рисунке 4. 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 выходная мощность однодискового лазера еще достижима. Пунктирная линия соответствует открытому диску; толстая сплошная кривая представляет случай с нелегированным колпачком. ^[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 надежной. Эта оценка построена в зависимости от нормализованной мощности на рисунке 5. Здесь — выходная мощность лазера, а — размерная шкала мощности; она связана с ключевым параметром . Толстая пунктирная линия представляет оценку для непокрытого диска. Толстая сплошная линия показывает то же самое для диска с нелегированным колпачком. Тонкая сплошная линия представляет качественную оценку без коэффициентов. Круги соответствуют экспериментальным данным для достигнутой мощности и соответствующим оценкам для фоновых потерь . Ожидается, что все будущие эксперименты и численные моделирования и оценки дадут значения , которые находятся ниже красной пунктирной линии на рис. 5 для непокрытых дисков и ниже синей кривой для дисков с анти-ASE-колпачком. 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 упомянутых кривых эффективность дискового лазера низкая; большая часть мощности накачки идет в ASE и поглощается на краях устройства. В этих случаях распределение энергии накачки, доступной среди нескольких дисков, может значительно улучшить производительность лазеров. Действительно, некоторые лазеры сообщали об использовании нескольких элементов, объединенных в одном резонаторе.

Импульсный режим работы

Аналогичные законы масштабирования имеют место для импульсного режима. В квазинепрерывном режиме волны максимальную среднюю мощность можно оценить путем масштабирования интенсивности насыщения с коэффициентом заполнения накачки и произведением длительности накачки на частоту повторения. При коротких импульсах требуется более подробный анализ. ^[18] При умеренных значениях частоты повторения (скажем, выше 1 Гц) максимальная энергия выходных импульсов примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь ; нелегированный колпачок может обеспечить дополнительный порядок величины средней выходной мощности при условии, что этот колпачок не вносит вклад в фоновые потери. При низкой частоте повторения (и в режиме одиночных импульсов) и достаточной мощности накачки общего предела энергии нет, но требуемый размер устройства быстро растет с увеличением требуемой 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

• VCSEL
• ВЕКСЕЛ
• Термический шок
• Коэффициент усиления в обоих направлениях
• Масштабирование мощности
• Средний коэффициент усиления
• Список статей о лазерах

Ссылки

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». IEEE Journal of Quantum Electronics . 2 (4): 9 B4. Bibcode : 1966IJQE....2Q.154B. doi : 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. K. Ueda; N. Uehara (1993). Chung, Y. C (ред.). "Твердотельные лазеры с лазерной диодной накачкой для антенны гравитационных волн". Труды SPIE . Частотно-стабилизированные лазеры и их применение. 1837 : 336–345. Bibcode :1993SPIE.1837..336U. doi :10.1117/12.143686. S2CID  122045469.
6. A.Abate; L.Lund; D.Brown; S.Jacobs; S.Refermat; J.Kelly; M.Gavin; J.Waldbillig; O.Lewis (1981). "Активное зеркало: усилитель на неодимовом стекле с большой апертурой и средней частотой повторения". Applied Optics . 1837 (2): 351–361. Bibcode : 1981ApOpt..20..351A. doi : 10.1364/AO.20.000351. PMID  20309114.
7. Окулов, А Ю (1990). «Двумерные периодические структуры в нелинейном резонаторе». JOSA B . 7 (6): 1045–1050. Bibcode :1990JOSAB...7.1045O. doi :10.1364/JOSAB.7.001045.
8. Окулов, А Ю (1993). «Масштабирование твердотельных лазеров с диодной матрицей-накачкой с помощью самоизображения». Opt. Commun . 99 (5–6): 350–354. Bibcode :1993OptCo..99..350O. doi :10.1016/0030-4018(93)90342-3.
9. A. Giesen; H. Hügel; A. Voss; K. Wittig; U. Brauch; H. Opower (1994). «Масштабируемая концепция для мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой». Applied Physics B . 58 (5): 365–372. Bibcode :1994ApPhB..58..365G. doi :10.1007/BF01081875. S2CID  121158745.
10. C.Stewen; K.Contag; M.Larionov; A.Giesen; H.Hugel (2000). "A 1-kW CW thin disc laser". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (4): 650–657. Bibcode : 2000IJSTQ...6..650S. doi : 10.1109/2944.883380. ISSN  1077-260X. S2CID  35197307. Номер доступа NSPEC 6779337.
11. D. Kouznetsov; JF Bisson; J. Dong; K. Ueda (2006). «Предел поверхностных потерь масштабирования мощности тонкодискового лазера». JOSA B . 23 (6): 1074–1082. Bibcode :2006JOSAB..23.1074K. doi :10.1364/JOSAB.23.001074. S2CID  59505769.; [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
12. D.Kouznetsov; JFBisson; K.Takaichi; K.Ueda (2005). "Одномодовый твердотельный лазер с коротким широким нестабильным резонатором". JOSA B . 22 (8): 1605–1619. Bibcode :2005JOSAB..22.1605K. doi :10.1364/JOSAB.22.001605.
13. Окулов, А Ю (1991). «Влияние шероховатости оптических элементов на поперечную структуру светового поля в нелинейном резонаторе Тальбо». Журнал современной оптики . 38 (10): 1887–1890. Bibcode : 1991JMOp...38.1887O. doi : 10.1080/09500349114551991.
14. D.Kouznetsov; JFBisson (2008). "Роль нелегированного колпачка в масштабировании тонкодисковых лазеров". JOSA B . 25 (3): 338–345. Bibcode :2008JOSAB..25..338K. doi :10.1364/JOSAB.25.000338. S2CID  55659195.
15. Стивен А. Пейн; Уильям Ф. Крупке; Рэймонд Дж. Бич; Стивен Б. Саттон; Эрик К. Хонеа; Камиль Бибо; Говард Пауэл (2002). "Масштабируемый тонкодисковый лазер с высокой средней мощностью". Патент США . 6347109 . Архивировано из оригинала 2009-01-16.
16. Beach, Raymond J.; Honea, Eric C.; Bibeau, Camille; Payne, Stephen A.; Powell, Howard; Krupke, William F.; Sutton, Steven B. (2002). "Масштабируемый тонкодисковый лазер с высокой средней мощностью". Патент США . 6347109 .
17. Д.Кузнецов; Ж.-Ф.Биссон, К.Уэда (2009). "Законы масштабирования дисковых лазеров" (PDF) . Оптические материалы . 31 (5): 754–759. Bibcode :2009OptMa..31..754K. CiteSeerX 10.1.1.694.3844 . doi :10.1016/j.optmat.2008.03.017. 
18. Д.Кузнецов (2008). «Хранение энергии в дисковых лазерных материалах». Research Letters in Physics . 2008 : 1–5. Bibcode : 2008RLPhy2008E..17K. doi : 10.1155/2008/717414 .
19. J.Speiser (2009). "Масштабирование тонкодисковых лазеров — влияние усиленного спонтанного излучения". JOSA B. 26 ( 1): 26–35. Bibcode : 2008JOSAB..26...26S. doi : 10.1364/JOSAB.26.000026.