Войти
A Твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSSL ) - это твердотельный лазер путем накачки твердой усиливающей среды, например, рубина или кристалла YAG, легированного неодимом ,, с лазерным диодом .
DPSSL имеют преимущества в компактности и эффективности по сравнению с другими типами, а мощные DPSSL заменили ионные лазеры и лазеры с ламповой накачкой во многих научных приложениях., и теперь часто появляются в зеленые и другие цвета лазерные указки.
Длина волны лазерных диодов регулируется с помощью температуры, чтобы обеспечить оптимальный компромисс между коэффициентом поглощения в кристалле и энергоэффективностью (минимально возможная энергия фотонов накачки). Поскольку лишняя энергия ограничена тепловой линзой, это означает более высокую плотность мощности по сравнению с разрядными лампами высокой интенсивности.
В лазерах высокой мощности используется монокристалл, но многие лазерные диоды расположены в виде полос ( несколько диодов рядом друг с другом на одной подложке) или стопки (стопки подложек). Эту диодную сетку можно отобразить на кристалле с помощью линзы . Более высокая яркость (ведущая к лучшему профилю луча и увеличению срока службы диодов) достигается за счет оптического удаления темных участков между диодами, которые необходимы для охлаждения и подачи тока. Это выполняется в два этапа:
Лучи от нескольких диодов также можно комбинировать, соединяя каждый диод в оптическое волокно, которое размещается точно над диодом (но за микролинзой). На другом конце пучка волокон волокна сплавлены вместе, образуя на кристалле равномерный круглый профиль без зазоров. Это также позволяет использовать удаленный источник питания.
Мощные лазерные диоды изготавливаются в виде стержней с несколькими однополосными лазерными диодами, расположенными рядом друг с другом.
Каждый одинарный полосовой диод обычно имеет активный объем:
| 1 мкм | 2 мм | 100 мкм |
| Высота | Глубина | Ширина |
| быстрая ось | оптическая ось | медленная ось |
и в зависимости от метода охлаждения для всего стержня (от 100 до 200) мкм, расстояние до следующего лазерный диод.
Торец диода по быстрой оси может быть отображен на полосе высотой 1 мкм. Но торец вдоль медленной оси может быть отображен на площади меньше 100 мкм. Это связано с небольшой дивергенцией (отсюда и название: «медленная ось»), которая определяется отношением глубины к ширине. Используя приведенные выше числа, можно отобразить быструю ось на пятне шириной 5 мкм.
Итак, чтобы получить луч с равным расхождением по обеим осям, торцы стержня, состоящего из 5 лазерных диодов, можно отобразить с помощью 4 (ацилиндрических) цилиндрических линз на плоскости изображения с 5 точками. каждая размером 5 мм х 1 мм. Такой большой размер необходим для пучков с малым расходимостью. Низкая расходимость позволяет использовать более дешевую параксиальную оптику, которая используется не только для создания пятна, но и для создания длинной перетяжки луча внутри лазерного кристалла (длина = 50 мм), которая должна прокачиваться через его торцы.
Также в параксиальном случае намного проще использовать золотые или медные зеркала или стеклянные призмы, чтобы наложить пятна друг на друга и получить профиль луча 5 x 5 мм. Вторая пара (сферических) линз отображает этот квадратный профиль луча внутри лазерного кристалла.
В заключение, активный объем 0,001 мм³ в лазерном диоде способен насытить 1250 мм³ в кристалле Nd: YVO 4.
Ионы неодима в различных типах ионных кристаллов, а также в стеклах действуют как усиливающая среда для лазера, обычно испуская свет с длиной волны 1064 нм от определенного атомного перехода в ионе неодима после «закачивается» в возбуждение от внешнего источника. Также возможен выбор переходного света 946 нм Наиболее распространенным используемым DPSSL является 532 нм длина волны зеленаялазерная указка. Мощный (>200 мВт ) лазерный диод на длине волны 808 нм в инфракрасном диапазоне GaAlAs накачивает легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG) или кристалл легированного неодимом ортованадата иттрия (Nd: YVO 4), который излучает свет с длиной волны 1064 нм от основного спектрального перехода иона неодима. Затем частота этого света удваивается с использованием процесса нелинейно-оптического в кристалле KTP, в результате чего получается свет с длиной волны 532 нм. Зеленые DPSSL обычно имеют КПД около 20%, хотя некоторые лазеры могут достигать КПД до 35%. Другими словами, зеленый DPSSL, использующий диод накачки 2,5 Вт, будет выдавать около 500-900 мВт света 532 нм.
В оптимальных условиях Nd: YVO 4 имеет эффективность преобразования 60%, тогда как KTP имеет эффективность преобразования 80%. 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 с длиной волны 1064 нм расширяется до того, как достигнет кристалла KTP, что снижает энергетическую освещенность инфракрасного света. Чтобы поддерживать меньший диаметр луча, вместо него используется кристалл с более высоким порогом повреждения, такой как LBO.
Синий DPSSLs используют почти идентичный процесс, за исключением того, что свет 808 нм преобразуется кристаллом Nd: YAG в свет 946 нм (выбор этой неосновной спектральной линии неодима в тех же кристаллах с примесью неодима), который затем удваивается по частоте до 473 нм за счет кристалла бета-бората бария (BBO) или трибората лития (LBO). Из-за более низкого коэффициента усиления для материалов синие лазеры относительно слабы, а их эффективность составляет всего около 3-5%. В конце 2000-х годов было обнаружено, что кристаллы трибората висмута (BiBO) более эффективны, чем BBO и LBO, и не имеют недостатка в виде гигроскопичности, которая разрушает кристалл, если он подвергается воздействию влаги.
Желтый DPSSLs используют еще более сложный процесс: диод накачки 808 нм используется для генерации света 1064 нм и 1342 нм, которые суммируются параллельно, получается 593,5 нм. Из-за своей сложности большинство желтых DPSSL имеют КПД только около 1% и обычно дороже на единицу мощности.
Другой метод заключается в генерации света с длиной волны 1064 и 1319 нм, которые суммируются с 589 нм. Этот процесс более эффективен, около 3% мощности диода накачки преобразуется в желтый свет.
DPSSL и диодные лазеры - два наиболее распространенных типа твердотельных -государственные лазеры. Однако у обоих типов есть свои преимущества и недостатки.
DPSSL обычно имеют более высокое качество луча и могут достигать очень высоких мощностей при сохранении относительно хорошего качества луча. Поскольку кристалл, накачиваемый диодом, действует как собственный лазер, качество выходного луча не зависит от качества входного. Для сравнения, диодные лазеры могут достигать мощности только в несколько сотен милливатт, если они не работают в множественном поперечном режиме. Такие многомодовые лазеры имеют больший диаметр пучка и большую расходимость, что часто делает их менее желательными. Фактически, одномодовый режим необходим в некоторых приложениях, таких как оптические приводы.
. С другой стороны, диодные лазеры дешевле и более энергоэффективны. Поскольку кристаллы DPSSL не являются 100% эффективными, при преобразовании частоты теряется некоторая мощность. DPSSL также более чувствительны к температуре и могут оптимально работать только в небольшом диапазоне. В противном случае лазер будет страдать от проблем со стабильностью, таких как скачки 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, по-прежнему являются предпочтительным источником лазеров для промышленных приложений. Прямая накачка верхнего уровня лазера на неодиме на длине волны 885 нм (а не в более традиционной широкой полосе 808 нм) предлагает потенциал повышения производительности за счет уменьшения квантового дефекта генерации, тем самым повышая эффективность системы, снижая требования к охлаждению и возможность дальнейшего масштабирования мощности TEM00. Из-за узкой характеристики поглощения 885 нм в Nd: YAG некоторые системы могут выиграть от использования источников диодной накачки с синхронизацией длины волны, которые служат для сужения и стабилизации спектра излучения накачки, чтобы поддерживать его близкое соответствие с этой характеристикой поглощения. На сегодняшний день схемы синхронизации с мощным диодным лазером, такие как брэгговские решетки с внутренней распределенной обратной связью и оптика с объемной голографической решеткой с внешней выверкой, не получили широкого распространения из-за увеличения стоимости и предполагаемого ухудшения характеристик технологии. Однако недавние достижения в производстве стабилизированных источников диодной накачки, в которых используется внешняя синхронизация длины волны, теперь предлагают улучшенные спектральные свойства с минимальным влиянием на мощность и эффективность. Преимущества этого подхода включают повышение эффективности лазера, ширины спектральной линии и эффективности накачки.
