Дисковый лазер

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

A дисковый лазер или активное зеркало (рис.1) - это тип твердотельного лазера с диодной накачкой, характеризуемый радиатором и выходом лазера, которые реализованы на противоположных сторонах тонкого слоя активной усиливающей среды. 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 из-за большой площади, что приводит к умеренным плотностям мощности на активном материале.

Содержание

• 1 Активные зеркала и дисковые лазеры
• 2 Предел масштабирования мощности для дисковых лазеров
  • 2.1 Масштабирование дисковых лазеров с помощью самовоспроизведения
• 3 Cap Anti-ASE
• 4 Ключевой параметр для лазерных материалов
• 5 Импульсный режим
• 6 См. также
• 7 Ссылки

Активные зеркала и дисковые лазеры

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

Первоначально дисковые лазеры назывались активными зеркалами, потому что усиливающая среда дискового лазера по существу 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). Затем концепция была развита в различных исследовательских группах, в частности, в Штутгартском университете (Германия) для Yb: легированных стекол.

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

Предел масштабирования мощности для дисковых лазеров

Рис.3. Отражающийся луч ASE в дисковом лазере

Мощность таких лазеров ограничена не только доступной мощностью накачки, но и перегревом, усиленным спонтанным излучением (ASE) и фон потери при передаче в оба конца. Чтобы избежать перегрева, размер $L\; \{\backslash \; displaystyle\; ~\; L\; ~\}$следует увеличивать с масштабированием мощности. Затем, чтобы избежать сильных потерь из-за экспоненциального роста ASE, коэффициент поперечного срабатывания $u\; =\; GL\; \{\backslash \; displaystyle\; ~\; u\; =\; GL\; ~\}$не может быть большим. Это требует уменьшения усиления $G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\; ~\}$; это усиление определяется коэффициентом отражения выходного ответвителя и толщиной $h\; \{\backslash \; displaystyle\; ~\; h\}$. усиление при передаче в оба конца $g\; =\; 2\; G\; h\; \{\backslash \; displaystyle\; ~\; g\; =\; 2Gh\; ~\}$должно оставаться больше, чем потери при передаче в оба конца $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\; ~\}$(разница $g\; -\; \beta \; \{\backslash \; displaystyle\; g\; \backslash !\; -\; \backslash !\; \backslash \; Beta\; ~\}$определяет оптическую энергию, которая выводится из лазерного резонатора при каждом обходе). Снижение коэффициента усиления $G\; \{\backslash \; displaystyle\; G\; ~\}$при заданных потерях при передаче в оба конца $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; ~\; \backslash \; beta\; ~\}$, требует увеличения толщины $h\; \{\backslash \; displaystyle\; h\}$. Затем, при некотором критическом размере, диск становится слишком толстым и не может быть прокачан выше порогового значения без перегрева.

Некоторые особенности масштабирования мощности можно выявить с помощью простой модели. Пусть $Q\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; ~\}$будет интенсивностью насыщения среды, $\eta \; 0\; =\; \omega \; s\; /\; \omega \; p\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; \_\; \{\; 0\}\; =\; \backslash \; omega\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{s\}\}\; /\; \backslash \; omega\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{p\}\}\; ~~\}$быть отношением частот, $R\; \{\backslash \; displaystyle\; R\; ~\}$- параметр тепловая нагрузка. Ключевой параметр $P\; k\; =\; \eta \; 0\; R\; 2\; Q\; \beta \; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{k\}\}\; =\; \backslash \; eta\; \_\; \{0\}\; \{\backslash \; frac\; \{R\; ^\; \{2\}\}\; \{Q\; \backslash \; beta\; ^\; \{\; 3\}\}\}\; ~\}$определяет максимальную мощность дискового лазера. Соответствующая оптимальная толщина может быть оценена как $h\; \sim \; R\; Q\; \beta \; \{\backslash \; displaystyle\; h\; \backslash \; sim\; \{\backslash \; frac\; \{R\}\; \{Q\; \backslash \; beta\}\}\}$. Соответствующий оптимальный размер $L\; \sim \; R\; Q\; \beta \; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; L\; \backslash \; sim\; \{\backslash \; frac\; \{R\}\; \{Q\; \backslash \; beta\; ^\; \{2\}\}\}\}$. Грубо говоря, потери при передаче в оба конца должны масштабироваться обратно пропорционально кубическому корню из требуемой мощности.

Дополнительная проблема - эффективная подача энергии насоса. При низком двустороннем усилении поглощение насоса за один проход также низкое. 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, с большим количеством проходов необходимая энергия насоса; боковая подача энергии накачки также может быть возможным решением.

Масштабирование дисковых лазеров с помощью самовоспроизведения

Тонкие дисковые твердотельные лазеры с диодной накачкой можно масштабировать с помощью поперечной синхронизации мод в полостях Тальбота. Замечательной особенностью масштабирования Тальбота является то, что число Френеля $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$из $N\; -\; \{\backslash \; displaystyle\; N-\}$фазовая синхронизация массива элементов лазерных лучей за счет самовоспроизведения:

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

Защита от ASE

Рис. 4. Дисковый лазер без покрытия и лазер с нелегированным колпачком.

Чтобы уменьшить влияние ASE, был предложен анти-ASE колпачок, состоящий из нелегированного материала на поверхности дискового лазера. 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 может позволить на порядок увеличить максимальную мощность, достижимую дисковым лазером. В обоих случаях должно подавляться 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.

Фиг. 5. Верхняя граница потерь $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$, при которой выходная мощность $P\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{s\}\}\}$однодискового лазера все еще возможно. Пунктирная линия соответствует открытому диску; толстая сплошная кривая представляет случай с нелегированным колпачком.

Ключевой параметр для лазерных материалов

Оценка максимальной мощности, достижимой при заданных потерях $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$, очень чувствительна к $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$. Оценка верхней границы $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$, при которой желаемая выходная мощность $P\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{s\}\}\}$достижимо надежно. Эта оценка построена в зависимости от нормализованной мощности $s\; =\; P\; s\; /\; P\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; s\; =\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{s\}\}\; /\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{d\}\}\}$на рисунке 5. Здесь $P\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{s\}\}\}$- выходная мощность лазера, а $P\; d\; =\; R\; 2\; /\; Q\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{d\}\}\; =\; R\; ^\; \{2\}\; /\; Q\}$- размерная шкала мощности; он связан с ключевым параметром $P\; k\; =\; P\; d\; /\; \beta \; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{k\}\}\; =\; P\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{d\}\}\; /\; \backslash \; beta\; ^\; \{3\}\}$. Толстая пунктирная линия представляет оценку для непокрытого диска. Толстой сплошной линией показано то же самое для диска с нелегированной крышкой. Тонкая сплошная линия представляет собой качественную оценку $\beta \; =\; s\; 1/3\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\; =\; s\; ^\; \{1/3\}\}$без коэффициентов. Кружки соответствуют экспериментальным данным для достигнутой мощности и соответствующим оценкам фоновых потерь $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$. Ожидается, что все будущие эксперименты и численное моделирование и оценки дадут значения $(\beta ,\; s)\; \{\backslash \; displaystyle\; (\backslash \; beta,\; s)\}$, которые находятся ниже красной пунктирной линии на рисунке 5. для непокрытых дисков и под синей кривой для дисков с крышкой анти-ASE. Это можно интерпретировать как закон масштабирования для дисковых лазеров.

Вблизи упомянутых кривых эффективность дискового лазера низкая; 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

Аналогичные законы масштабирования имеют место для импульсного режима. В режиме максимальная средняя мощность может быть оценена путем масштабирования интенсивности насыщения с помощью накачки и произведения продолжительности накачки на частоту повторения. При малой длительности импульсов требуется более детальный анализ. При умеренных значениях частоты повторения (скажем, выше 1 Гц) максимальная энергия выходных импульсов примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь $\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$; нелегированный колпачок может обеспечить дополнительный порядок величины средней выходной мощности при условии, что этот колпачок не вносит вклад в фоновые потери. При низкой частоте следования (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..

См. Также

• VCSEL
• VECSEL
• Тепловой удар
• Коэффициент усиления в оба конца
• Масштабирование мощности
• Среднее усиление
• Список статей о лазерах

Ссылки

1. ^"Лазеры на тонких дисках". Энциклопедия лазерной физики и технологии.
2. ^«Все новости в обзоре | Institut für Strahlwerkzeuge | Штутгартский университет».
3. ^К. Уэда; Н. Уэхара (1993). Чанг, Ю.С. (ред.). «Твердотельные лазеры с лазерной диодной накачкой для гравитационно-волновой антенны». Материалы SPIE. Лазеры со стабилизацией частоты и их применение. 1837 : 336–345. Bibcode : 1993SPIE.1837..336U. doi : 10.1117 / 12.143686.
4. ^А.Абате; Л.Лунд; Д. Браун; С. Джейкобс; С.Рефермат; Дж. Келли; М.Гэвин; Дж. Вальдбиллиг; О. Льюис (1981). «Активное зеркало: большой апертур, средняя частота повторения Nd: стеклянный усилитель». Прикладная оптика. 1837 (2): 351–361. Bibcode : 1981ApOpt..20..351A. DOI : 10.1364 / AO.20.000351. PMID 20309114.
5. ^A. Гизен; Х. Хюгель; А. Восс; К. Виттиг; У. Браух; Х. Оповер (1994). «Масштабируемая концепция мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой». Прикладная физика В. 58(5): 365–372. Bibcode : 1994ApPhB..58..365G. doi : 10.1007 / BF01081875.
6. ^C.Stewen; K.Contag; М.Ларионов; А.Гизен; Х. Хюгель (2000). «Тонкий дисковый лазер непрерывного действия мощностью 1 кВт». Журнал избранных тем квантовой электроники IEEE. 6(4): 650–657. Bibcode : 2000IJSTQ... 6..650S. doi : 10.1109 / 2944.883380. ISSN 1077-260X. Регистрационный номер NSPEC 6779337.
7. ^ D. Кузнецов; Дж. Ф. Биссон; Дж. Донг; К. Уэда (2006). "Предел поверхностных потерь масштабирования мощности тонкого диска лазера". JOSA B. 23(6): 1074–1082. Bibcode : 2006JOSAB..23.1074K. doi : 10.1364 / JOSAB.23.001074. S2CID 59505769.; [1]
8. ^ Д.Кузнецов; Дж. Ф. Биссон; К. Такаичи; К.Уэда (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.
9. ^Окулов А.Ю. (1993). «Масштабирование твердотельных лазеров с диодной матрицей с накачкой посредством самовоспроизведения». Опт. Comm. 99 (5–6): 350–354. doi : 10.1016 / 0030-4018 (93) 90342-3.
10. ^Окулов А.Ю. (1990). «Двумерные периодические структуры в нелинейном резонаторе». ХОСА Б. 7 (6): 1045–1050. doi : 10.1364 / JOSAB.7.001045.
11. ^ Д.Кузнецов; Дж. Ф. Биссон (2008). «Роль нелегированного колпачка в масштабировании лазеров на тонких дисках». JOSA B. 25(3): 338–345. Bibcode : 2008JOSAB..25..338K. doi : 10.1364 / JOSAB.25.000338. S2CID 55659195.
12. ^Стивен А. Пейн; Уильям Ф. Крупке; Раймонд Дж. Бич; Стивен Б. Саттон; Эрик К. Хонеа; Камилла Бибо; Ховард Пауэл (2002). «Масштабируемый лазер на тонких дисках высокой средней мощности». Патент США. 6347109 . Архивировано из оригинала 16.01.2009.
13. ^Пляж; Раймонд Дж. (Ливермор, Калифорния); Honea; Эрик К. (Сунол, Калифорния); Бибо; Камилла (Дублин, Калифорния); Пейн; Стивен А. (Кастро Вэлли, Калифорния); Пауэлл; Ховард (Ливермор, Калифорния); Крупке; Уильям Ф. (Плезантон, Калифорния); Саттон; Стивен Б. (Мантека, Калифорния) (2002). «Масштабируемый лазер на тонких дисках высокой средней мощности». Патент США. 6347109 . CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка )
14. ^Д.Кузнецов; Ж.-Ф. Биссон, К.Уеда (2009). «Масштабирование законы 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.
15. ^Д.Кузнецов. (2008). «Накопление энергии в дисковых лазерных материалах». Research Letters in Physics. 2008 : 1–5. Bibcode : 2008RLPhy2008E..17K. doi : 10.1155 / 2008/717414. Архивировано из оригинала 25 января 2013 г.
16. ^J.Speiser (2009). «Масштабирование лазеров на тонких дисках - влияние усиленного спонтанного излучения». JOSA B. 26(1): 26–35. Bibcode : 2008JOSAB..26... 26S. doi :10.1364/JOSAB.26.000026.