Laser de estado sólido com bomba de diodo - Diode-pumped solid-state laser
Um laser de estado sólido bombeado por diodo ( DPSSL ) é um laser de estado sólido feito pelo bombeamento de um meio de ganho sólido , por exemplo, um rubi ou um cristal YAG dopado com neodímio , com um diodo de laser .
Os DPSSLs têm vantagens em compactação e eficiência em relação a outros tipos, e os DPSSLs de alta potência substituíram os lasers iônicos e os lasers com flash em muitas aplicações científicas e agora estão aparecendo comumente em ponteiros laser verdes e em outras cores .
Acoplamento
O comprimento de onda dos diodos de laser é ajustado por meio da temperatura para produzir um compromisso ideal entre o coeficiente de absorção no cristal e a eficiência energética (a menor energia de fótons possível na bomba). Como a energia residual é limitada pelas lentes térmicas, isso significa densidades de energia mais altas em comparação com as lâmpadas de descarga de alta intensidade .
Lasers de alta potência usam um único cristal, mas muitos diodos de laser são arranjados em tiras (vários diodos próximos uns dos outros em um substrato) ou pilhas (pilhas de substratos). Esta grade de diodo pode ser visualizada no cristal por meio de uma lente . Um brilho mais alto (levando a um melhor perfil de feixe e maior vida útil do diodo) é obtido removendo opticamente as áreas escuras entre os diodos, que são necessárias para resfriar e fornecer a corrente. Isso é feito em duas etapas:
- O "eixo rápido" é colimado com uma grade alinhada de microlentes cilíndricas .
- Os feixes parcialmente colimados são então visualizados em tamanho reduzido no cristal. O cristal pode ser bombeado longitudinalmente de ambas as faces de extremidade ou transversalmente de três ou mais lados.
Os feixes de vários diodos também podem ser combinados acoplando cada diodo em uma fibra óptica , que é colocada precisamente sobre o diodo (mas atrás da microlente). Na outra extremidade do feixe de fibras, as fibras são fundidas para formar um perfil redondo uniforme, sem lacunas, no cristal. Isso também permite o uso de uma fonte de alimentação remota.
Alguns números
Os diodos de laser de alta potência são fabricados como barras com vários diodos de laser de faixa única próximos uns dos outros.
Cada diodo de tira única normalmente tem um volume ativo de:
| 1 µm | 2 mm | 100 µm |
| Altura | Profundidade | Largura |
| eixo rápido | eixo óptico | eixo lento |
e dependendo da técnica de resfriamento para toda a barra (100 a 200) µm de distância até o próximo diodo laser.
A face final do diodo ao longo do eixo rápido pode ser visualizada em uma tira de 1 µm de altura. Mas a face final ao longo do eixo lento pode ser visualizada em uma área menor que 100 µm. Isso se deve à pequena divergência (daí o nome: 'eixo lento') que é dada pela relação entre a profundidade e a largura. Usando os números acima, o eixo rápido pode ser visualizado em um ponto de 5 µm de largura.
Portanto, para obter um feixe com divergência igual em ambos os eixos, as faces finais de uma barra composta por 5 diodos de laser podem ser visualizadas por meio de 4 lentes cilíndricas (acilíndricas) em um plano de imagem com 5 pontos cada um com um tamanho de 5 mm x 1 mm. Este grande tamanho é necessário para feixes de baixa divergência. A baixa divergência permite a ótica paraxial, mais barata e utilizada para gerar não apenas um ponto, mas uma cintura de feixe longo dentro do cristal do laser (comprimento = 50 mm), que deve ser bombeado através de suas faces finais.
Também no caso paraxial é muito mais fácil usar espelhos de ouro ou cobre ou prismas de vidro para empilhar os pontos uns sobre os outros e obter um perfil de feixe de 5 x 5 mm. Um segundo par de lentes (esféricas) faz a imagem desse perfil de feixe quadrado dentro do cristal de laser.
Concluindo, um volume ativo de 0,001 mm³ no diodo laser é capaz de saturar 1250 mm³ em um cristal Nd: YVO 4 .
Processos DPSSL comuns
O DPSSL mais comum em uso é o apontador laser verde com comprimento de onda de 532 nm . Um poderoso diodo de laser GaAlAs infravermelho com comprimento de onda de 808 nm (> 200 mW ) bombeia um cristal de ítrio-alumínio dopado com neodímio (Nd: YAG) ou um cristal de ortovanadato de ítrio dopado com neodímio (Nd: YVO 4 ) que produz luz de comprimento de onda de 1064 nm a partir do principal transição espectral do íon neodímio . Essa luz é então duplicada em frequência usando um processo óptico não linear em um cristal KTP , produzindo luz de 532 nm. DPSSLs verdes são geralmente cerca de 20% eficientes, embora alguns lasers possam atingir até 35% de eficiência. Em outras palavras, seria esperado que um DPSSL verde usando um diodo de bomba de 2,5 W produzisse cerca de 500-900 mW de luz de 532 nm.
Em condições ideais, o Nd: YVO 4 tem uma eficiência de conversão de 60%, enquanto o KTP tem uma eficiência de conversão de 80%. Em outras palavras, um DPSSL verde pode teoricamente ter uma eficiência geral de 48%.
No reino das potências de saída muito altas, o cristal KTP torna-se suscetível a danos ópticos. Assim, DPSSLs de alta potência geralmente possuem um diâmetro de feixe maior, pois o laser de 1064 nm é expandido antes de atingir o cristal KTP, reduzindo a irradiância da luz infravermelha. Para manter um diâmetro de feixe mais baixo, um cristal com um limite de dano mais alto, como triborato de lítio (LBO), é usado em seu lugar.
DPSSLs azuis usam um processo quase idêntico, exceto que a luz de 808 nm está sendo convertida por um cristal Nd: YAG em luz de 946 nm (selecionando esta linha espectral não principal de neodímio nos mesmos cristais dopados com Nd), que é então a frequência -dobrado para 473 nm por um cristal de borato de bário beta (BBO) ou cristal LBO. Por causa do ganho mais baixo para os materiais, os lasers azuis são relativamente fracos e têm apenas 3-5% de eficiência. No final dos anos 2000, foi descoberto que os cristais de triborato de bismuto (BiBO) eram mais eficientes do que BBO ou LBO e não tinham a desvantagem de serem higroscópicos , o que degrada o cristal se exposto à umidade.
DPSSLs amarelos usam um processo ainda mais complicado: um diodo de bomba de 808 nm é usado para gerar 1.064 nm e 1.342 nm de luz, que são somados em paralelo para se tornarem 593,5 nm. Devido à sua complexidade, a maioria dos DPSSLs amarelos são apenas cerca de 1% eficientes e geralmente mais caros por unidade de energia.
Outro método é gerar luz de 1.064 e 1.319 nm, que somam 589 nm. Este processo é mais eficiente, com cerca de 3% da energia do diodo da bomba sendo convertida em luz amarela.
Comparação com lasers de diodo
DPSSLs e lasers de diodo são dois dos tipos mais comuns de lasers de estado sólido. No entanto, ambos os tipos têm suas vantagens e desvantagens.
DPSSLs geralmente têm uma qualidade de feixe superior e podem atingir potências muito altas, mantendo uma qualidade de feixe relativamente boa. Como o cristal bombeado pelo diodo atua como seu próprio laser, a qualidade do feixe de saída é independente daquela do feixe de entrada. Em comparação, os lasers de diodo podem atingir apenas algumas centenas de miliwatts, a menos que operem no modo transversal múltiplo. Esses lasers multimodo têm um diâmetro de feixe maior e uma divergência maior, o que muitas vezes os torna menos desejáveis. Na verdade, a operação de modo único é essencial em algumas aplicações, como unidades ópticas .
Por outro lado, os lasers de diodo são mais baratos e mais eficientes em termos de energia. Como os cristais DPSSL não são 100% eficientes, parte da energia é perdida quando a frequência é convertida. As DPSSLs também são mais sensíveis à temperatura e só podem operar de forma otimizada dentro de uma pequena faixa. Caso contrário, o laser sofreria de problemas de estabilidade, como pular entre os modos e grandes flutuações na potência de saída. DPSSLs também requerem uma construção mais complexa.
Os lasers de diodo também podem ser modulados com precisão com uma frequência maior do que os DPSSLs.
Os lasers de estado sólido dopados com neodímio continuam a ser a fonte de laser preferida para aplicações industriais. O bombeamento direto do nível de laser Nd superior em 885 nm (em vez da banda larga mais tradicional de 808 nm) oferece o potencial de desempenho aprimorado por meio de uma redução no defeito quântico do laser, melhorando assim a eficiência do sistema, reduzindo os requisitos de resfriamento e permitindo maior escalonamento de potência do TEM00. Devido ao estreito recurso de absorção de 885 nm em Nd: YAG, certos sistemas podem se beneficiar do uso de fontes de bomba de diodo de comprimento de onda bloqueado, que servem para estreitar e estabilizar o espectro de emissão da bomba para mantê-lo estreitamente alinhado a este recurso de absorção. Até o momento, os esquemas de travamento de laser de diodo de alta potência, como grades de Bragg de feedback distribuído interno e óptica de grade holográfica de volume alinhada externamente, VHGs, não foram amplamente implementados devido ao custo aumentado e à penalidade de desempenho assumida da tecnologia. No entanto, avanços recentes na fabricação de fontes de bomba de diodo estabilizado que utilizam travamento de comprimento de onda externo agora oferecem propriedades espectrais aprimoradas com pouco ou nenhum impacto sobre a potência e a eficiência. Os benefícios dessa abordagem incluem melhorias na eficiência do laser, largura de linha espectral e eficiência de bombeamento.