Laser de disco - Disk laser

Figura 1. Um laser de disco com bomba óptica (espelho ativo).

Um laser de disco ou espelho ativo (Fig.1) é um tipo de laser de estado sólido bombeado por diodo caracterizado por um dissipador de calor e saída de laser que são realizados em lados opostos de uma fina camada de meio de ganho ativo . Apesar do nome, os lasers de disco não precisam ser circulares; outras formas também foram experimentadas. A espessura do disco é consideravelmente menor que o diâmetro do feixe de laser.

Os conceitos de laser de disco permitem altas médias e potências de pico devido à sua grande área levando a moderadas densidades de potência no material ativo.

Espelhos ativos e lasers de disco

Figura 2. Uma configuração de laser de disco (espelho ativo) apresentada em 1992 na conferência SPIE .

Inicialmente, os lasers de disco eram chamados de espelhos ativos , porque o meio de ganho de um laser de disco é essencialmente um espelho óptico com coeficiente de reflexão maior que a unidade. Um espelho ativo é um amplificador óptico de passagem dupla em forma de disco fino .

Os primeiros espelhos ativos foram desenvolvidos no Laboratório de Laser Energética (Estados Unidos). Em seguida, o conceito foi desenvolvido em vários grupos de pesquisa, em particular, na Universidade de Stuttgart (Alemanha) para Yb: vidros dopados.

No laser de disco , o dissipador de calor não precisa ser transparente, podendo ser extremamente eficiente mesmo com grande tamanho transversal do dispositivo (Fig.1). O aumento no tamanho permite a escala de potência para muitos quilowatts sem modificação significativa do design. ${\ displaystyle ~ L ~}$

Limite de dimensionamento de energia para lasers de disco

Fig.3. Raio refletivo de ASE em um laser de disco

A potência de tais lasers é limitada não apenas pela potência da bomba disponível, mas também pelo superaquecimento, emissão espontânea amplificada (ASE) e perda de ida e volta de fundo . Para evitar o superaquecimento, o tamanho deve ser aumentado com a escala de potência. Então, para evitar grandes perdas devido ao crescimento exponencial do ASE , o ganho de trip transversal não pode ser grande. Isso requer redução do ganho ; esse ganho é determinado pela refletividade do acoplador de saída e pela espessura . O ganho de ida e volta deve permanecer maior do que a perda de ida e volta (a diferença determina a energia óptica, que é produzida pela cavidade do laser em cada viagem de ida e volta). A redução do ganho , em uma dada perda de ida e volta , requer o aumento da espessura . Então, em algum tamanho crítico, o disco se torna muito espesso e não pode ser bombeado acima do limite sem superaquecimento. ${\ displaystyle ~ L ~}$ ${\ displaystyle ~ u = GL ~}$ ${\ displaystyle G ~}$ ${\ displaystyle ~ h}$ ${\ displaystyle ~ g = 2Gh ~}$ ${\ displaystyle \ beta ~}$ ${\ displaystyle g \! - \! \ beta ~}$ ${\ displaystyle G ~}$ ${\ displaystyle ~ \ beta ~}$ ${\ displaystyle h}$

Algumas características da escala de potência podem ser reveladas a partir de um modelo simples. Seja a intensidade de saturação , do meio, a razão das frequências, seja o parâmetro de carregamento térmico . O parâmetro chave determina a potência máxima do laser de disco. A espessura ideal correspondente pode ser estimada com . O tamanho ideal correspondente . A grosso modo, a perda de ida e volta deve ser inversamente proporcional à raiz cúbica da energia necessária. ${\ displaystyle Q ~}$ ${\ displaystyle \ eta _ {0} = \ omega _ {\ rm {s}} / \ omega _ {\ rm {p}} ~~}$ ${\ displaystyle R ~}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {k}} = \ eta _ {0} {\ frac {R ^ {2}} {Q \ beta ^ {3}}} ~}$ ${\ displaystyle h \ sim {\ frac {R} {Q \ beta}}}$ ${\ displaystyle L \ sim {\ frac {R} {Q \ beta ^ {2}}}}$

Um problema adicional é o fornecimento eficiente de energia da bomba. Em baixo ganho de ida e volta, a absorção de passagem única da bomba também é baixa. Portanto, a reciclagem da energia da bomba é necessária para uma operação eficiente. (Veja o espelho adicional M no lado esquerdo da figura 2.) Para escalonamento de potência , o meio deve ser opticamente fino , com muitas passagens de energia da bomba necessárias; a entrega lateral da energia da bomba também pode ser uma solução possível.

Dimensionamento de lasers de disco por meio de autoimagem

Lasers de estado sólido bombeados com diodo de disco fino podem ser escalonados por meio de travamento de modo transversal nas cavidades de Talbot. A característica notável do dimensionamento de Talbot é que o número de Fresnel do elemento da matriz de laser com bloqueio de fase por autoimagem é dado por: ${\ displaystyle F}$ ${\ displaystyle N-}$

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

Tampa anti-ASE

Fig. 4. Laser de disco descoberto e com capa não dopada.

A fim de reduzir o impacto do ASE, uma capa anti-ASE consistindo de material não dopado na superfície de um laser de disco foi sugerida. Essa tampa permite que os fótons emitidos espontaneamente escapem da camada ativa e os impede de ressoar na cavidade. Os raios não podem saltar (Figura 3) como em um disco descoberto. Isso poderia permitir um aumento de ordem de magnitude na potência máxima atingível por um laser de disco. Em ambos os casos, o reflexo posterior do ASE nas bordas do disco deve ser suprimido. Isso pode ser feito com camadas absorventes, mostradas em verde na Figura 4. Na operação próxima à potência máxima, uma parte significativa da energia vai para ASE; portanto, as camadas absorventes também devem ser fornecidas com dissipadores de calor, que não são mostrados na figura.

Fig. 5. Limite superior de perda em que a potência de saída de um único laser de disco ainda é alcançável. A linha tracejada corresponde ao disco descoberto; curva sólida espessa representa o caso com tampa não dopada.

{\ displaystyle \ beta}

{\ displaystyle P _ {\ rm {s}}}

Parâmetro chave para materiais a laser

A estimativa da potência máxima alcançável em uma dada perda é muito sensível a . A estimativa do limite superior de , no qual a potência de saída desejada é alcançável é robusta. Esta estimativa é plotada versus potência normalizada na figura 5. Aqui, está a potência de saída do laser e é a escala dimensional de potência; está relacionado com o parâmetro chave . A linha tracejada espessa representa a estimativa para o disco descoberto. A linha sólida espessa mostra o mesmo para o disco com capa não dopada. A linha sólida fina representa a estimativa qualitativa sem coeficientes. Os círculos correspondem aos dados experimentais para a potência alcançada e estimativas correspondentes para a perda de fundo . Todos os experimentos futuros e simulações numéricas e estimativas devem fornecer valores de , que estão abaixo da linha tracejada vermelha na Fig.5 para os discos descobertos e abaixo da curva azul para os discos com tampa anti-ASE. Isso pode ser interpretado como uma lei de escala para lasers de disco. ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {s}}}$ ${\ displaystyle s = P _ {\ rm {s}} / P _ {\ rm {d}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {s}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {d}} = R ^ {2} / Q}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {k}} = P _ {\ rm {d}} / \ beta ^ {3}}$ ${\ displaystyle \ beta = s ^ {1/3}}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle (\ beta, s)}$

Nas proximidades das curvas mencionadas, a eficiência do laser de disco é baixa; a maior parte da potência de bombeamento vai para ASE e é absorvida nas bordas do dispositivo. Nestes casos, a distribuição da energia da bomba disponível entre vários discos pode melhorar significativamente o desempenho dos lasers. Na verdade, alguns lasers relataram o uso de vários elementos combinados na mesma cavidade.

Operação pulsada

Leis de escala semelhantes ocorrem para operação pulsada. Em regime de onda quase contínua , a potência média máxima pode ser estimada escalando a intensidade de saturação com o fator de enchimento da bomba e o produto da duração da bomba para a taxa de repetição. Em pulsos de curta duração, uma análise mais detalhada é necessária. Em valores moderados da taxa de repetição (digamos, superior a 1 Hz), a energia máxima dos pulsos de saída é aproximadamente inversamente proporcional ao cubo da perda de fundo ; o limite não dopado pode fornecer uma ordem adicional de magnitude da potência média de saída, sob a condição de que esse limite não contribua para a perda de fundo. Em baixa taxa de repetição (e no regime de pulsos únicos) e potência de bomba suficiente, não há limite geral de energia, mas o tamanho necessário do dispositivo cresce rapidamente com o aumento da energia de pulso necessária, estabelecendo o limite prático de energia; estima-se que de alguns joules a alguns milhares de joules podem ser extraídos em um pulso óptico de um único elemento ativo, dependendo do nível da perda interna de fundo do sinal no disco. ${\ displaystyle \ beta}$

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