Láser de disco - Disk laser

Figura 1. Un láser de disco bombeado ópticamente (espejo activo).

Un disco láser o espejo activo (Figura 1) es un tipo de láser de estado sólido bombeado por diodos que se caracteriza por un disipador de calor y una salida de láser que se realizan en lados opuestos de una capa delgada de medio de ganancia activa . A pesar de su nombre, los láseres de disco no tienen por qué ser circulares; también se han probado otras formas. El grosor del disco es considerablemente menor que el diámetro del rayo láser.

Los conceptos de láser de disco permiten potencias promedio y pico muy altas debido a su gran área que conduce a densidades de potencia moderadas en el material activo.

Espejos activos y láseres de disco

Figura 2. Una configuración de disco láser (espejo activo) presentada en 1992 en la conferencia SPIE .

Inicialmente, los láseres de disco se llamaban espejos activos , porque el medio de ganancia de un láser de disco es esencialmente un espejo óptico con un coeficiente de reflexión mayor que la unidad. Un espejo activo es un amplificador óptico de doble paso en forma de disco delgado .

Los primeros espejos activos se desarrollaron en el Laboratorio de Energética Láser (Estados Unidos). Luego, el concepto se desarrolló en varios grupos de investigación, en particular, la Universidad de Stuttgart (Alemania) para Yb: gafas dopadas.

En el láser de disco , el disipador de calor no tiene que ser transparente, por lo que puede ser extremadamente eficiente incluso con un gran tamaño transversal del dispositivo (Fig.1). El aumento de tamaño permite escalar la potencia a muchos kilovatios sin una modificación significativa del diseño. ${\ Displaystyle ~ L ~}$

Límite de escalamiento de potencia para láseres de disco

Fig. 3. Rayo de rebote de ASE en un disco láser

La potencia de tales láseres está limitada no solo por la potencia de la bomba disponible, sino también por el sobrecalentamiento, la emisión espontánea amplificada (ASE) y la pérdida de ida y vuelta de fondo . Para evitar el sobrecalentamiento, el tamaño debe aumentarse con escala de potencia. Entonces, para evitar fuertes pérdidas debido al crecimiento exponencial del ASE , la ganancia de viaje transversal no puede ser grande. Esto requiere una reducción de la ganancia ; esta ganancia está determinada por la reflectividad del acoplador de salida y el espesor . La ganancia de ida y vuelta debe ser mayor que la pérdida de ida y vuelta (la diferencia determina la energía óptica, que sale de la cavidad del láser en cada ida y vuelta). La reducción de la ganancia , en una pérdida de ida y vuelta determinada , requiere aumentar el espesor . Luego, en un tamaño crítico, el disco se vuelve demasiado grueso y no se puede bombear por encima del umbral sin sobrecalentarse. ${\ Displaystyle ~ L ~}$ ${\ Displaystyle ~ u = GL ~}$ ${\ Displaystyle G ~}$ ${\ Displaystyle ~ h}$ ${\ Displaystyle ~ g = 2Gh ~}$ ${\ Displaystyle \ beta ~}$ ${\ Displaystyle g \! - \! \ beta ~}$ ${\ Displaystyle G ~}$ ${\ Displaystyle ~ \ beta ~}$ ${\ Displaystyle h}$

Algunas características de la escala de potencia pueden revelarse a partir de un modelo simple. Sea la intensidad de saturación , del medio, sea la relación de frecuencias, sea el parámetro de carga térmica . El parámetro clave determina la potencia máxima del láser de disco. El espesor óptimo correspondiente se puede estimar con . El tamaño óptimo correspondiente . Aproximadamente, la pérdida de ida y vuelta debe escalar inversamente proporcionalmente a la raíz cúbica de la potencia requerida. ${\ Displaystyle Q ~}$ ${\ Displaystyle \ eta _ {0} = \ omega _ {\ rm {s}} / \ omega _ {\ rm {p}} ~~}$ ${\ Displaystyle R ~}$ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {k}} = \ eta _ {0} {\ frac {R ^ {2}} {Q \ beta ^ {3}}} ~}$ ${\ Displaystyle h \ sim {\ frac {R} {Q \ beta}}}$ ${\ Displaystyle L \ sim {\ frac {R} {Q \ beta ^ {2}}}}$

Un problema adicional es el suministro eficiente de energía de la bomba. En baja ganancia de ida y vuelta, la absorción de un solo paso de la bomba también es baja. Por lo tanto, se requiere el reciclaje de la energía de la bomba para un funcionamiento eficiente. (Vea el espejo adicional M en el lado izquierdo de la figura 2.) Para escalar la potencia , el medio debe ser ópticamente delgado , con muchas pasadas de energía de bombeo requeridas; el suministro lateral de energía de la bomba también podría ser una posible solución.

Escalado de láseres de disco mediante la creación de imágenes propias

Los láseres de estado sólido bombeados por diodos de disco delgado se pueden escalar mediante bloqueo de modo transversal en las cavidades de Talbot. La característica notable del escalado de Talbot es que el número de Fresnel de la matriz de láser de elementos bloqueados en fase por autoimagen viene dado por: ${\ Displaystyle F}$ ${\ Displaystyle N-}$

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

Gorra anti-ASE

Fig. 4. Láser de disco descubierto y con tapón sin dopar.

Para reducir el impacto de ASE, se ha sugerido una tapa anti-ASE que consiste en material sin dopar en la superficie de un disco láser. Una tapa de este tipo permite que los fotones emitidos espontáneamente escapen de la capa activa y evita que resuenen en la cavidad. Los rayos no pueden rebotar (Figura 3) como en un disco descubierto. Esto podría permitir un aumento de un orden de magnitud en la potencia máxima alcanzable por un láser de disco. En ambos casos, debe suprimirse la reflexión posterior del ASE desde los bordes del disco. Esto se puede hacer con capas absorbentes, que se muestran en verde en la Figura 4. En una operación cercana a la potencia máxima, una parte significativa de la energía se destina a ASE; por lo tanto, las capas absorbentes también deben estar provistas de disipadores de calor, que no se muestran en la figura.

Fig. 5. Límite superior de pérdida en el que aún se puede alcanzar la potencia de salida de un láser de un solo disco. La línea discontinua corresponde al disco descubierto; La curva sólida gruesa representa el caso con la tapa sin dopar.

{\ Displaystyle \ beta}

{\ Displaystyle P _ {\ rm {s}}}

Parámetro clave para materiales láser

La estimación de la potencia máxima alcanzable con una pérdida determinada es muy sensible a . La estimación del límite superior de , en el que se puede alcanzar la potencia de salida deseada, es robusta. Esta estimación se representa frente a la potencia normalizada en la figura 5. Aquí, es la potencia de salida del láser y la escala dimensional de la potencia; está relacionado con el parámetro clave . La línea punteada gruesa representa la estimación del disco descubierto. La línea sólida gruesa muestra lo mismo para el disco con la tapa sin dopar. La delgada línea continua representa la estimación cualitativa sin coeficientes. Los círculos corresponden a los datos experimentales para la potencia alcanzada y las estimaciones correspondientes para la pérdida de fondo . Se espera que todos los experimentos futuros y las simulaciones numéricas y las estimaciones den valores de , que están por debajo de la línea discontinua roja en la Figura 5 para los discos descubiertos y por debajo de la curva azul para los discos con tapa anti-ASE. Esto se puede interpretar como una ley de escala para láseres de disco. ${\ Displaystyle \ beta}$ ${\ Displaystyle \ beta}$ ${\ Displaystyle \ beta}$ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {s}}}$ ${\ Displaystyle s = P _ {\ rm {s}} / P _ {\ rm {d}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {s}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {d}} = R ^ {2} / Q}$ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {k}} = P _ {\ rm {d}} / \ beta ^ {3}}$ ${\ Displaystyle \ beta = s ^ {1/3}}$ ${\ Displaystyle \ beta}$ ${\ Displaystyle (\ beta, s)}$

En las proximidades de las curvas mencionadas, la eficiencia del láser de disco es baja; la mayor parte de la potencia de bombeo va a ASE y se absorbe en los bordes del dispositivo. En estos casos, la distribución de la energía de la bomba disponible entre varios discos puede mejorar significativamente el rendimiento de los láseres. De hecho, algunos láseres informaron que utilizaban varios elementos combinados en la misma cavidad.

Operación pulsada

Se aplican leyes de escala similares para el funcionamiento por impulsos. En el régimen de onda cuasi continua , la potencia media máxima se puede estimar escalando la intensidad de saturación con el factor de llenado de la bomba y el producto de la duración de la bomba por la tasa de repetición. En pulsos de corta duración, se requiere un análisis más detallado. A valores moderados de la tasa de repetición (digamos, superiores a 1 Hz), la energía máxima de los pulsos de salida es aproximadamente inversamente proporcional al cubo de la pérdida de fondo ; el límite sin dopar puede proporcionar un orden adicional de magnitud de la potencia de salida media, con la condición de que este límite no contribuya a la pérdida de fondo. A una tasa de repetición baja (y en el régimen de pulsos individuales) y una potencia de bomba suficiente, no hay un límite general de energía, pero el tamaño requerido del dispositivo crece rápidamente con el aumento de la energía de pulso requerida, estableciendo el límite práctico de energía; se estima que de unos pocos julios a unos miles de julios se pueden extraer en un pulso óptico de un solo elemento activo, dependiendo del nivel de pérdida interna de fondo de la señal en el disco. ${\ Displaystyle \ beta}$

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