Твердотельный лазер с диодной накачкой ( DPSSL ) — это твердотельный лазер, созданный путем накачки твердотельной активной среды , например, рубина или легированного неодимом кристалла YAG , лазерным диодом .
DPSSL обладают преимуществами в компактности и эффективности по сравнению с другими типами, а высокомощные DPSSL заменили ионные лазеры и лазеры с 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 отработанная энергия ограничивается тепловой линзой, это означает более высокую плотность мощности по сравнению с разрядными лампами высокой интенсивности .
Высокомощные лазеры используют один кристалл, но многие лазерные диоды расположены в полосах (несколько диодов рядом друг с другом на одной подложке) или стопках (стопках подложек). Эта диодная сетка может быть отображена на кристалле с помощью линзы . Более высокая яркость (ведущая к лучшему профилю луча и более длительному сроку службы диода) достигается путем 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 равномерный, без зазоров, круглый профиль на кристалле. Это также позволяет использовать удаленный источник питания.
Лазерные диоды высокой мощности изготавливаются в виде линеек с несколькими однополосными лазерными диодами, расположенными рядом друг с другом.
Каждый полосовой диод обычно имеет активный объем:
и в зависимости от технологии охлаждения для всего стержня (от 100 до 200) мкм расстояние до следующего лазерного диода.
Торец диода вдоль быстрой оси может быть отображен на полоске высотой 1 мкм. Но торец вдоль медленной оси может быть отображен на меньшей площади, чем 100 мкм. Это связано с небольшой дивергенцией (отсюда и название: «медленная ось»), которая задается отношением глубины к ширине. Используя приведенные выше числа, быстрая ось может быть отображена на пятне шириной 5 мкм.
Таким образом, чтобы получить луч с одинаковой расходимостью по обеим осям, торцы стержня, состоящего из 5 лазерных диодов, могут быть отображены с помощью 4 (цилиндрических) цилиндрических линз на плоскость изображения с 5 пятнами каждое размером 5 мм x 1 мм. Такой большой размер необходим для лучей с низкой расходимостью. Низкая расходимость позволяет использовать параксиальную оптику, которая дешевле и которая используется не только для генерации 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 накладывать пятна друг на друга и получать профиль луча 5 x 5 мм. Вторая пара (сферических) линз отображает этот квадратный профиль луча внутри лазерного кристалла.
Активный объем лазерного диода 0,001 мм3 способен насытить 1250 мм3 кристалла Nd: YVO4 .
Наиболее распространенным DPSSL является зеленый лазерный указатель 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 легированный неодимом ортованадат иттрия (Nd:YVO4 ) , который производит свет с длиной волны 1064 нм из основного спектрального перехода иона неодима . Затем этот свет удваивается по частоте с использованием нелинейного оптического процесса в кристалле KTP , производя свет с длиной волны 532 нм. Зеленые DPSSL обычно имеют эффективность около 20%, хотя некоторые лазеры могут достигать эффективности до 35%. Другими словами, зеленый DPSSL, использующий диод накачки мощностью 2,5 Вт, как ожидается, 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 восприимчивым к оптическим повреждениям. Таким образом, мощные DPSSL обычно имеют больший диаметр луча, поскольку лазер 1064 нм расширяется до того, как достигнет кристалла KTP, что снижает облученность инфракрасным светом. Чтобы сохранить меньший диаметр луча, вместо него используется кристалл с более высоким порогом повреждения, такой как триборат лития (LBO).
Синие DPSSL используют почти идентичный процесс, за исключением того, что свет 808 нм преобразуется кристаллом Nd:YAG в свет 946 нм (выбирая эту неосновную спектральную линию неодима в тех же легированных Nd кристаллах), который затем удваивается по частоте до 473 нм кристаллом бета-бората бария (BBO) или кристаллом LBO. Из-за более низкого усиления для 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 недостатка в виде гигроскопичности , [3] которая ухудшает кристалл, если он подвергается воздействию влаги. Однако в приложениях с непрерывным лазером BiBO может демонстрировать нестабильность, которая ухудшает его производительность. [4]
Желтые DPSSL используют еще более сложный процесс: 808 нм диод накачки используется для генерации 1064 нм и 1342 нм света, которые суммируются параллельно, чтобы стать 593,5 нм. Из-за своей сложности большинство желтых DPSSL имеют эффективность всего около 1% и обычно дороже за единицу мощности.
Другой метод заключается в генерации света 1064 и 1319 нм, который суммируется до 589 нм. [5] Этот процесс более эффективен, поскольку около 3% мощности диода накачки преобразуется в желтый свет. [6]
DPSSL и диодные лазеры являются двумя наиболее распространенными типами твердотельных лазеров. Однако оба типа имеют свои преимущества и недостатки.
DPSSL обычно имеют более высокое качество луча и могут достигать очень высоких мощностей, 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 только нескольких сотен милливатт, если они не работают в множественном поперечном режиме. Такие многомодовые лазеры имеют больший диаметр луча и большую расходимость, что часто делает их менее желательными. Фактически, одномодовый режим работы необходим в некоторых приложениях, таких как оптические приводы . [7]
С другой стороны, диодные лазеры дешевле и более энергоэффективны. Поскольку кристаллы DPSSL не обладают 100% эффективностью, часть мощности теряется при преобразовании частоты. DPSSL также более чувствительны к температуре и могут работать оптимально только в небольшом диапазоне. В противном случае лазер будет страдать от проблем со стабильностью, таких как скачки между модами и большие колебания выходной мощности. DPSSL также требуют более сложной конструкции.
Диодные лазеры также могут точно модулироваться с большей частотой, чем DPSSL.
Твердотельные лазеры с неодимовым легированием продолжают оставаться лазерным источником выбора для промышленных приложений. Прямая накачка верхнего уровня лазера Nd на длине волны 885 нм (а не на более традиционной широкой полосе 808 нм) предлагает потенциал улучшенной производительности за счет снижения квантового дефекта лазерной генерации, тем самым повышая эффективность системы, снижая требования к охлаждению и позволяя дополнительно масштабировать мощность TEM00. Из-за узкой характеристики поглощения 885 нм в Nd:YAG некоторые системы могут выиграть от использования диодных источников накачки с синхронизацией по длине волны, которые служат для сужения и стабилизации спектра излучения накачки, чтобы поддерживать его в тесном соответствии с этой характеристикой поглощения. На сегодняшний день схемы блокировки высокомощных диодных лазеров, такие как внутренние распределенные брэгговские решетки обратной связи и внешне выровненная объемная голографическая решеточная оптика, VHG, не получили широкого распространения из-за возросшей стоимости и предполагаемого ухудшения производительности технологии. Однако недавние достижения в производстве стабилизированных диодных источников накачки, которые используют внешнюю синхронизацию длины волны, теперь предлагают улучшенные спектральные свойства с незначительным или нулевым влиянием на мощность и эффективность. [8] Преимущества этого подхода включают улучшение эффективности лазера, ширины спектральной линии и эффективности накачки.