RP Photonics Encyclopedia - лазеры на пластинах, зигзагообразные, мощные, с фронтальной накачкой, с боковой накачкой, Innoslab

1. Face Pumping против Edge Pumping
2. Извлечение силы
3. Тепловые эффекты и масштабирование мощности
4. Пластинчатые волноводные лазеры
5. Конкурирующие Архитектуры
6. Список используемой литературы

Пластинчатые лазеры представляют собой один класс Высокая мощность твердое состояние объемные лазеры , где получить средний ( лазерный кристалл ) имеет форму плиты. Как правило, лазерная плита тонкая в одном измерении по сравнению с большей протяженностью в двух других направлениях. Однако другие лазеры без большого аспектного отношения усиливающей среды иногда также называют пластинчатыми лазерами просто потому, что их усиливающая среда имеет прямоугольное, а не круглое поперечное сечение. Такие лазеры на самом деле часто не сильно отличаются от стержневые лазеры также с точки зрения масштабирование мощности (увидеть ниже).

Слябовые лазеры часто используют лазерные кристаллы с относительно большими размерами, что требуется для работы с высокой мощностью. Принцип может быть реализован с разными лазерный кристалл материалы, например с Nd: YAG , Yb: YAG или александрит ,

Это также CO2 лазеры с геометрией плиты, где смесь углекислого газа образует широкий лист усиления между двумя металлическими электродами. Лазерное излучение может быть извлечено, например, гибридом лазерный резонатор , который является неустойчивый резонатор в горизонтальном направлении и волновод резонатор в вертикальном направлении. В остальной части этой статьи рассматриваются только твердотельные лазеры.

Face Pumping против Edge Pumping

Если рассматривать только типичные сляб-лазеры с широким соотношением сторон, то, по сути, есть две разные геометрии накачки, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Сравнение геометрии накачки для лазеров. Плита с накачкой гранями (слева) часто используется для лазеров с ламповой накачкой, где прокачка (красные стрелки) и отвод тепла (оранжевые стрелки) осуществляются через большие грани. Геометрия с краевой накачкой (справа) лучше для диодной накачки. В обеих геометриях лазерный луч по существу распространяется в направлении, перпендикулярном плоскости фигуры, за исключением возможного зигзагообразного пути.

Более традиционная геометрия с накачкой лица была разработана для лампа накачки , Здесь свет накачки идет сверху и снизу через прозрачную охлаждающую жидкость (не показана), которая обычно находится в прямом контакте с плитой. Предлагая огромную площадь и в то же время очень большой угловой диапазон, эта геометрия предъявляет очень низкие требования к качеству луча накачки. Однако это требует относительно большой толщины и / или концентрация допинга для того, чтобы достичь достаточно высокого всасывание насоса эффективность. Это проблема при высоких уровнях мощности (см. Ниже). Это также затрудняет использование квази-три уровня усиления ,

За диодная накачка геометрия накачки кромок или поперечной накачки является более подходящей. Высшее пространственное согласованность мощных лазерные диоды (например диодные бары или же диодные стеки ) позволяет вводить весь свет накачки через относительно узкий край. Диоды накачки могут быть размещены непосредственно на краю плиты, без какой-либо оптики между ними. Поскольку большие лица не должны быть прозрачными, широкий спектр механизмы охлаждения может использоваться, включая проводящее охлаждение с помощью металлических радиаторов с внутренними водяными каналами, удерживая охлаждающую воду (с возможными загрязнителями) вдали от оптических поверхностей. В дополнение к практическим преимуществам охлаждения и откачки в разных положениях, эта геометрия обеспечивает длинный путь поглощения в широком направлении и, таким образом, позволяет использовать очень тонкую плиту без ущерба для эффективности поглощения насоса. Также возможно уменьшить концентрация допинга и увеличить интенсивность накачки, и это делает его намного проще в использовании квази-три уровня усиления , Дальнейшее улучшение эффективности поглощения насоса (и косвенно однородности насоса) может быть достигнуто с помощью отражающих покрытий на сторонах насоса, имеющих только узкие прорези для подачи света от насоса.

Для откачки кромок возможны еще две разные геометрии:

• Плиту можно накачать в направлениях, перпендикулярных лазерному лучу. Это дает полное разделение оптики для накачки и сигнального света; один не нужен дихроичная элементы. Однако недостатком является неидеальное распределение интенсивности накачки (с наивысшей интенсивностью накачки во внешних частях сигнального луча, по крайней мере, в случае прямой траектории луча, а не зигзагообразной траектории).
• С помощью дихроичная оптика, можно иметь путь луча накачки по прямому пути луча сигнала. Это обеспечивает хорошее перекрытие накачки и интенсивности сигнала по всему устройству, и только две кромки должны быть отполированы и с антибликовым покрытием ,
• Другой аспект заключается в том, что можно либо прокачивать весь вертикальный диапазон плиты, либо только лист, чтобы лучи насоса и сигнала не доходили до плоских поверхностей. Последний подход требует более высокого насоса качество луча что, однако, не является проблемой с высокой мощностью лазерные диоды как доступно сегодня. Преимущества в том, что более высокий сигнал качество луча возможно, и плоские стороны не нуждаются в полировке.

Так называемая конструкция усилителя Innoslab , которая предлагает впечатляющие характеристики с точки зрения выходной мощности, качества луча и эффективность , основан на прокачке по кромке в продольном направлении и вышеупомянутой прокачке листа в сочетании с зигзагообразной траекторией, как показано ниже на фиг. 3.

Извлечение силы

Отбор мощности в пластинчатых лазерах, как правило, сложнее, чем стержневые лазеры а также тонкодисковые лазеры , поскольку существует выраженная асимметрия с точки зрения как геометрии, так и тепловая линза , Это особенно актуально, если перекачивается полный объем плиты (например, для плит с ламповой накачкой). Предполагая, что плита охлаждается через ее большие грани, имеется сильная тепловая линза в направлении, перпендикулярном этим граням, и намного более слабая тепловая линза в другом направлении. Одним из подходов к решению этой проблемы является создание лазерный резонатор с сильно эллиптической модой, адаптированной к асимметричной геометрической форме и линзированию.

Методика сильного уменьшения сильной тепловой линзы в одном направлении заключается в использовании геометрии зигзагообразной плиты , где лазерный луч делает зигзагообразную траекторию через усиленную среду (рис. 2), так что эффекты сильной тепловой линзы в «тонком» направлении в основном усредняются. Здесь, плоские поверхности должны быть отполированы для высокого оптического качества, и следует избегать всего (например, прямого контакта с металлическими поверхностями), которое может испортить их отражательную способность.

Рисунок 2: Геометрия зигзагообразной усиленной плиты. Лазерный луч испытывает полное внутреннее отражение на поверхностях плиты, за исключением углового входа и выхода Брюстера. Рисунок 3: Извлечение мощности в слябовом лазере с использованием сложенной траектории луча, если смотреть сверху.

Вместо использования сильно эллиптического луча можно сложить путь луча в другом направлении (рис. 3). Обратите внимание, что два складных зеркала не должны быть параллельными, так как это паразитная генерация между этими зеркалами. В вертикальном направлении излучение накачки может быть ограничено тонким срезом, и размер моды резонатора можно соответствующим образом адаптировать.

Другим подходом для извлечения энергии является использование нестабильный лазерный резонатор , Как правило, генерация происходит между двумя отражающими зеркалами, и часть циркулирующей мощности выводится с помощью скребущего зеркала.

В большинстве случаев пластинчатый лазер имеет несколько областей в лазерном кристалле, где мощность не может быть извлечена. Эта проблема уменьшает энергоэффективность устройства, и в то же время это затрудняет получение дифракционный качество луча потому что внешние области лазерной моды испытывают более высокое усиление, чем центральные области, где насыщение эффекты сильнее.

Из-за высокого усиление в поперечном направлении, усиленное спонтанное излучение (ASE) и паразитную генерацию трудно подавить в мощных лазерах на пластинках, особенно в тех, которые работают с высоким усиление например, для пульса усиление или для генерации импульса с Переключение добротности ,

Тепловые эффекты и масштабирование мощности

Пластинчатые лазеры представляют собой лазерную архитектуру для использования в высокие уровни мощности и, таким образом, связаны с сильными тепловыми эффектами в среде усиления. Профиль температуры может быть относительно плоским в двух длинных измерениях, но существует сильный градиент температуры в вертикальном направлении (см. Рисунки выше), поскольку тепло отводится от верхней и нижней поверхностей. Зигзагообразная геометрия (см. Выше) приводит к значительному усреднению эффектов этого сильного градиента, но оптические искажения возникают из-за остаточных эффектов во всех направлениях, особенно из-за конечных эффектов.

Температурный градиент также связан с термически вызванным механическим напряжением, которое обычно является самым сильным с левой и правой сторон и может вызвать разрушение кристалла. Для высокого предела разрушения с точки зрения мощности насоса или выходной мощности плита должна быть как можно более тонкой, а ширина и длина увеличены. Для геометрии с накачкой лица (см. Выше) это требование в конечном итоге ставит под угрозу всасывание насоса эффективность. Плиты с краевой накачкой намного лучше в этом отношении. Ожидается, что масштабирование мощности с краевой накачкой Yb: YAG Плазменные лазеры возможны до уровня сотен киловатт [11].

Пластинчатые волноводные лазеры

Специальный вид лазера для плит - это плиты волноводный лазер [13]. Здесь лазерное излучение не заполняет весь объем сляба, а распространяется только в пределах тонкой легированной области, окруженной нелегированным (прозрачным) материалом. Этот легированный регион также служит волновод в вертикальном направлении, тогда как в другом направлении обычно нет указаний. Таким образом, такая структура плоский волновод а не канальный волновод. Накачка все еще возможна сверху и снизу, например, путем подачи света накачки от мощных лазерных диодов через узкие щели в отражающем в противном случае насосная камера , Эта технология имеет некоторые сложные технические аспекты, но может подходить по меньшей мере для сотен ватт выходной мощности при относительно высоком качестве луча.

Конкурирующие Архитектуры

Различные виды лазеров на пластинках конкурируют с другими лазерными архитектурами, которые также способны генерировать очень высокие уровни мощности. Особенно, тонкодисковые лазеры а также волоконные лазеры также может достигать уровня мощности в киловаттах, обычно предлагая лучшее качество луча и эффективность энергопотребления. Эти архитектуры, конечно, не подходят для накачки ламп и накладывают определенные ограничения на усиливающую среду. Стержневые лазеры конкурировать с пластинчатыми лазерами мощностью до нескольких сотен ватт, возможно, даже до нескольких киловатт, но, вероятно, не способны достичь области в десятки или сотни киловатт.

Список используемой литературы

[1] TJ Kane et al. «Пониженное тепловое фокусирование и двулучепреломление в кристаллических лазерах с геометрией зигзагообразных плит», IEEE J. Квантовый Электрон. 19 (9), 1351 (1983) [2] JM Eggleston и соавт. , «Лазер с геометрией плиты - часть I: теория», IEEE J. Квантовый Электрон. 20 (3), 289 (1984) [3] TJ Kane et al. , «Лазер с геометрией плиты - часть II: тепловые эффекты в конечной плите», IEEE J. Квантовый Электрон. 21 (8), 1195 (1985) [4] Г.Ф. Альбрехт и соавт. «Конструкция и характеристика сляба YAG-лазера высокой средней мощности», IEEE J. Квантовый Электрон. 22 (11), 2099 (1986) [5] DC Brown и соавт. , «Паразитные колебания и усиленное спонтанное излучение в лазерах с полным внутренним отражением с накачкой», Proc. SPIE 736, 74 (1987) [6] BJ Comaskey et al. , «Зигзагообразный пластинчатый зигзагообразный лазер Nd: YAG со средней мощностью в один киловатт», Proc. SPIE 1865, 9 (1993) [7] RJ Shine et al. , «40-Вт непрерывный, TEM00-режим, диодно-лазерная накачка, Nd: YAG-лазер с миниатюрными пластинами», Оптик Lett. 20 (5), 459 (1995) [8] RJ St. Pierre et al. «Диодно-матричный накачанный киловаттный лазер», Proc. SPIE 3264, 2 (1998) [9] Д.К. Браун, «Нелинейные тепловые и стрессовые эффекты и масштабные характеристики усилителей YAG для слябов», IEEE J. Квантовый Электрон. 34 (12), 2393 (1998) [10] К. Ду и соавт. «Пластинчатый Nd: YAG-лазер с частично торцевой накачкой с гибридным резонатором», Оптик Lett. 23 (5), 370 (1998) [11] Т.С. Резерфорд и соавт. , «Квазитрехуровневые лазеры с краевой накачкой: проектирование и масштабирование мощности», IEEE J. Квантовый Электрон. 36 (2), 205 (2000) [12] Т.С. Резерфорд и соавт. , «Слябовые лазеры с краевой накачкой Yb: YAG и Nd: YAG», Оптик Lett. 26 (13), 986 (2001) [13] JR Lee и соавт. «Планарный волноводный лазер Nd: YAG высокой средней мощности, накачиваемый с помощью 10 лазерных диодных стержней», Оптик Lett. 27 (7), 524 (2002) [14] К. Ду и соавт. , «Электрооптический Nd: YVO4-лазер с модуляцией добротности с высокой частотой повторения импульсов и малой шириной импульса», Оптик Lett. 28 (2), 87 (2003) [15] Дж. И. Маккензи, «Диэлектрические твердотельные планарные волноводные лазеры: обзор», IEEE J. Sel. Верхний. Квантовый Электрон. 13 (3), 626 (2007) [16] Z. Ma et al. , «Монолитный Nd: YVO4 пластинчатый генератор – усилитель», Оптик Lett. 32 (10), 1262 (2007) [17] P. Zhu et al. , «Мощный двойной Nd: YAG лазер с двойной модуляцией добротности с диодной накачкой и его эффективная генерация второй гармоники в ближней зоне», Оптик Lett. 33 (19), 2248 (2008) [18] P. Russbueldt и соавт. «Компактные фемтосекундные усилители YAG: YAG Innoslab с диодной накачкой мощностью 1,1 кВт», Оптик Lett. 35 (24), 4169 (2010) [19] W. Koechner, Твердотельная лазерная техника , 6-е изд., Springer, Берлин (2006)

(Предложите дополнительную литературу!)

Смотрите также: мощные лазеры , твердотельные лазеры , объемные лазеры , стержневые лазеры , тонкодисковые лазеры , волоконные лазеры , лазеры с диодной накачкой , лазеры с ламповой накачкой
и другие статьи в категории лазеры

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею с друзьями и коллегами, например, через социальные сети:

Похожие

Комментарии