Дисковый лазер

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

Лазерный диска или активное зеркало (рис.1) представляет собой тип диода накачку твердотельного лазера , характеризующийся теплоотводом и выходной мощность лазера , которые реализуются на противоположных сторонах тонкого слоя активной среды усиления . ^[1] Несмотря на свое название, дисковые лазеры не обязательно должны быть круглыми; другие формы также были опробованы. Толщина диска значительно меньше диаметра лазерного луча.

Концепция дискового лазера обеспечивает очень высокую среднюю и пиковую мощность ^[2] из-за его большой площади, что приводит к умеренным плотностям мощности на активном материале.

Активные зеркала и дисковые лазеры [ править ]

Рис 2. Конфигурация дискового лазера (активного зеркала), представленная в 1992 году на конференции SPIE . ^[3]

Первоначально дисковые лазеры назывались активными зеркалами , потому что усиливающая среда дискового лазера по существу представляет собой оптическое зеркало с коэффициентом отражения больше единицы. Активное зеркало представляет собой тонкий двухпроходный оптический усилитель в форме диска .

Первые активные зеркала были разработаны в Лаборатории лазерной энергетики (США). ^[4] Затем концепция была развита в различных исследовательских группах, в частности, в Штутгартском университете (Германия) ^[5] для Yb: легированных стекол.

В дисковом лазере радиатор не обязательно должен быть прозрачным, поэтому он может быть чрезвычайно эффективным даже при большом поперечном размере устройства (рис.1). Увеличение размера позволяет увеличить мощность до многих киловатт без значительного изменения конструкции. ^[6]${\ displaystyle ~ L ~}$

Предел масштабирования мощности для дисковых лазеров [ править ]

Рис 3. Отражающийся луч УСИ в дисковом лазере

Мощность таких лазеров ограничена не только доступной мощностью накачки, но и перегревом, усиленным спонтанным излучением (УСИ) и фоновыми потерями при передаче туда и обратно . ^[7] Чтобы избежать перегрева, размер следует увеличивать с помощью масштабирования мощности. Тогда, чтобы избежать сильных потерь в результате экспоненциального роста в ASE , усиление поперечной поездки не может быть большим. Это требует уменьшения усиления ; это усиление определяется отражательной способностью выходного ответвителя и толщиной . Выигрыш в оба конца должен оставаться больше, чем потери в оба конца (разница${\ displaystyle ~ L ~}$${\ displaystyle ~ u = GL ~}$${\ Displaystyle G ~}$${\ displaystyle ~ h}$ ${\ displaystyle ~ g = 2Gh ~}$ ${\ displaystyle \ beta ~}$${\ displaystyle g \! - \! \ beta ~}$определяет оптическую энергию, которая выводится из лазерного резонатора при каждом обходе). Уменьшение усиления при заданных потерях при передаче туда и обратно требует увеличения толщины . Затем при каком-то критическом размере диск становится слишком толстым и не может быть прокачан выше порога без перегрева.${\ Displaystyle G ~}$ ${\ displaystyle ~ \ beta ~}$${\ displaystyle h}$

Некоторые особенности масштабирования мощности можно выявить на простой модели. Пусть будет интенсивность насыщения , ^{[7] [8]} среды, как отношение частот, быть тепловая нагрузка параметр. Ключевой параметр определяет максимальную мощность дискового лазера. Соответствующую оптимальную толщину можно оценить с помощью . Соответствующий оптимальный размер . Грубо говоря, потери при передаче туда и обратно 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 подача энергии насоса. При низком двустороннем усилении поглощение насоса за один проход также невелико. Следовательно, для эффективной работы требуется рециркуляция энергии насоса. (См. Дополнительное зеркало M в левой части рисунка 2.) Для масштабирования мощности среда должна быть оптически тонкой , требующей большого количества проходов энергии накачки; боковая подача энергии накачки ^[8] также может быть возможным решением.

Масштабирование дисковых лазеров с помощью самовоспроизведения [ править ]

Тонкие дисковые твердотельные лазеры с диодной накачкой можно масштабировать с помощью поперечной синхронизации мод в резонаторах Тальбота. ^[9] Замечательное свойство Talbot масштабирования является то , что число Френеля из массива лазерного элемента фазовой автоподстройки с помощью самоизображения определяются по формуле: ^[10]${\displaystyle F}$${\displaystyle N-}$

${\displaystyle F=N^{2}.}$

Cap Anti-ASE [ править ]

Чтобы уменьшить влияние ASE, был предложен колпачок для защиты от ASE, состоящий из нелегированного материала на поверхности дискового лазера. ^{[12] [13]} Такой колпачок позволяет спонтанно испускаемым фотонам выходить из активного слоя и предотвращает их резонанс в полости. Лучи не могут отражаться (рис. 3), как на непокрытом диске. Это могло бы позволить на порядок увеличить максимальную мощность, достижимую дисковым лазером. ^[11]В обоих случаях необходимо подавить обратное отражение УСИ от краев диска. Это можно сделать с помощью поглощающих слоев, показанных зеленым на рисунке 4. При работе на максимальной мощности значительная часть энергии уходит в ASE; поэтому поглощающие слои также должны быть снабжены радиаторами, которые на рисунке не показаны.

Рис. 5. Верхний предел потерь, при котором выходная мощность одиночного дискового лазера еще достижима. Пунктирная линия соответствует открытому диску; толстая сплошная кривая - корпус с нелегированной крышкой. ^[11]${\displaystyle \beta }$${\displaystyle P_{\rm {s}}}$

Ключевой параметр для лазерных материалов [ править ]

Оценка максимальной мощности, достижимой при заданных потерях , очень чувствительна к . Оценка верхней границы , при которой достигается желаемая выходная мощность, является надежной. Эта оценка показана в зависимости от нормализованной мощности на рисунке 5. Здесь - выходная мощность лазера, а - размерная шкала мощности; это связано с ключевым параметром . Толстая пунктирная линия представляет собой оценку для непокрытого диска. Толстой сплошной линией показано то же самое для диска с нелегированной крышкой. Тонкая сплошная линия - качественная оценка без коэффициентов. Кружки соответствуют экспериментальным данным для достигнутой мощности и соответствующим оценкам фоновых потерь.${\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 }$. Ожидается , что все будущие эксперименты и численное моделирование и оценки дадут значения , которые находятся ниже красной пунктирной линии на рисунке 5 для непокрытых дисков и ниже синей кривой для дисков с крышкой анти-ASE. Это можно интерпретировать как закон масштабирования для дисковых лазеров. ^[14]${\displaystyle (\beta ,s)}$

Вблизи указанных кривых эффективность дискового лазера невысока; большая часть мощности накачки идет на ASE и поглощается краями устройства. В этих случаях распределение доступной энергии накачки между несколькими дисками может значительно улучшить характеристики лазеров. Действительно, некоторые лазеры сообщили об использовании нескольких элементов, объединенных в одном резонаторе.

Импульсный режим [ править ]

Аналогичные законы масштабирования имеют место для импульсного режима. В квазинепрерывном волновом режиме максимальная средняя мощность может быть оценена путем масштабирования интенсивности насыщения с коэффициентом заполнения накачки и произведения продолжительности накачки на частоту повторения. При коротких импульсах требуется более детальный анализ. ^[15] При умеренных значениях частоты повторения (скажем, выше 1 Гц) максимальная энергия выходных импульсов примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь.${\displaystyle \beta }$; 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 нет общего ограничения энергии, но требуемый размер устройства быстро растет с увеличением требуемой энергии импульса, устанавливая практический предел энергии; По оценкам, от нескольких джоулей до нескольких тысяч джоулей можно извлечь в оптическом импульсе из одного активного элемента, в зависимости от уровня фоновых внутренних потерь сигнала в диске. . ^[16]

См. Также [ править ]

• VCSEL
• VECSEL
• Тепловой удар
• Выигрыш в оба конца
• Масштабирование мощности
• Получить средний
• Список лазерных статей

Ссылки [ править ]