Disk lazer - Disk laser

Şekil 1. Optik olarak pompalanan disk lazer (aktif ayna).

Bir disk lazer veya aktif ayna (Şekil 1) pompalanan bir diyot türüdür katı hal lazeri ince bir tabakanın zıt taraflarında gerçekleştirilen bir ısı emici ve lazer çıkışı ile karakterize edilir. aktif kazanç ortamı.^[1] İsimlerine rağmen, disk lazerlerin dairesel olması gerekmez; diğer şekiller de denendi. Diskin kalınlığı, lazer ışını çapından oldukça küçüktür.

Disk lazer konseptleri, çok yüksek ortalama ve en yüksek güçlere izin verir^[2] aktif malzeme üzerinde orta güç yoğunluklarına yol açan geniş alanı nedeniyle.

Aktif aynalar ve disk lazerleri

İncir. 2. 1992'de şu tarihte sunulan bir disk lazer (aktif ayna) yapılandırması SPIE konferans.^[3]

Başlangıçta disk lazerleri çağrıldı aktif aynalar, Çünkü orta kazanmak bir disk lazerin temelde bir optik ayna ile Yansıma katsayısı birlikten daha büyük. Aktif bir ayna, ince disk şeklindeki çift geçiştir optik amplifikatör.

İlk aktif aynalar, Lazer Enerjisi Laboratuvarı (Amerika Birleşik Devletleri).^[4]Daha sonra konsept çeşitli araştırma gruplarında geliştirildi, özellikle Stuttgart Üniversitesi (Almanya)^[5] Yb için: katkılı camlar.

İçinde disk lazer, ısı emicinin şeffaf olması gerekmez, bu nedenle büyük enine boyutta bile son derece verimli olabilir ${displaystyle ~ L ~}$ (Şekil 1) Boyutun artması, güç ölçeklendirme tasarımda önemli bir değişiklik yapılmadan birçok kilovata kadar.^[6]

Disk lazerleri için güç ölçeklendirme sınırı

Şek. 3. Sıçrayan ışın ASE disk lazerde

Bu tür lazerlerin gücü sadece mevcut pompanın gücüyle değil, aynı zamanda aşırı ısınmayla da sınırlıdır. yükseltilmiş spontane emisyon (ASE) ve arka plan gidiş-dönüş kaybı.^[7]Aşırı ısınmayı önlemek için boyut ${displaystyle ~ L ~}$ güç ölçeklendirme ile artırılmalıdır. üstel büyüme of ASE, enine yolculuk kazancı ${displaystyle ~ u = GL ~}$ büyük olamaz. Bu, kazancın azaltılmasını gerektirir ${displaystyle G ~}$; bu kazanç, çıkış kuplörünün yansıtıcılığı ve kalınlığı ile belirlenir. ${displaystyle ~ h}$. gidiş-dönüş kazancı ${displaystyle ~ g = 2Gh ~}$ daha büyük kalmalı gidiş-dönüş kaybı ${displaystyle eta ~}$(fark ${displaystyle g! -! eta ~}$ her gidiş-dönüşte lazer boşluğundan çıkan optik enerjiyi belirler). ${displaystyle G ~}$, verilen gidiş-dönüş kaybı ${displaystyle ~ eta ~}$, kalınlığın arttırılmasını gerektirir ${displaystyle h}$Daha sonra, bazı kritik boyutlarda, disk çok kalın hale gelir ve üzerine pompalanamaz. eşik aşırı ısınma olmadan.

Güç ölçeklendirmesinin bazı özellikleri basit bir modelden ortaya çıkarılabilir. ${displaystyle Q ~}$ ol doygunluk yoğunluğu,^[7][8]orta${displaystyle eta _ {0} = omega _ {m {s}} / omega _ {m {p}} ~~}$ frekansların oranı olsun,${displaystyle R ~}$ ol termal yükleme parametresi. anahtar parametre${displaystyle P_ {m {k}} = eta _ {0} {frac {R ^ {2}} {Q eta ^ {3}}} ~}$Disk lazerinin maksimum gücünü belirler. karşılık gelen optimum kalınlık ile tahmin edilebilir${displaystyle hsim {frac {R} {Q eta}}}$Karşılık gelen optimum boyut${displaystyle Lsim {frac {R} {Q eta ^ {2}}}}$Kabaca, gidiş-dönüş kaybı gerekli gücün kübik kökü ile ters orantılı olarak ölçeklenmelidir.

Ek bir sorun, pompa enerjisinin verimli bir şekilde sağlanmasıdır. Düşük gidiş-dönüş kazançta, pompanın tek geçişli absorpsiyonu da düşüktür. Bu nedenle, verimli çalışma için pompa enerjisinin geri dönüşümü gereklidir. (Ek aynaya bakın M şekil 2'nin sol tarafında.) güç ölçeklendirme ortam şöyle olmalıdır optik olarak ince, gerekli olan birçok pompa enerjisi geçişiyle; pompa enerjisinin yanal dağıtımı^[8]ayrıca olası bir çözüm olabilir.

Kendi kendine görüntüleme yoluyla disk lazerlerin ölçeklendirilmesi

İnce disk diyot pompalı katı hal lazerleri, Talbot kavitelerinde enine mod kilitleme aracılığıyla ölçeklenebilir.^[9] Talbot ölçeklendirmesinin dikkat çekici özelliği, Fresnel numarası ${displaystyle F}$ of ${displaystyle N-}$ Kendi kendine görüntüleme ile faz kilitlemeli eleman lazer dizisi şu şekilde verilir:^[10]

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

Anti-ASE başlığı

Şekil 4. Açık disk lazer ve açılmamış kapaklı.^[11]

ASE'nin etkisini azaltmak için disk lazerin yüzeyinde katkısız malzemeden oluşan bir anti-ASE başlığı önerilmiştir.^[12][13] Böyle bir başlık, kendiliğinden yayılan fotonların aktif katmandan kaçmasına izin verir ve boşlukta rezonansa girmelerini önler. Işınlar, açık bir diskteki gibi sekemez (Şekil 3). Bu, bir disk lazer ile elde edilebilen maksimum güçte büyük bir artışa izin verebilir.^[11] Her iki durumda da, ASE'nin diskin kenarlarından geri yansıması bastırılmalıdır. Bu, Şekil 4'te yeşil ile gösterilen soğurucu katmanlarla yapılabilir. Maksimum güce yakın çalışmada, enerjinin önemli bir kısmı ASE'ye gider; bu nedenle, soğurucu katmanlar ayrıca şekilde gösterilmeyen ısı emicilerle donatılmalıdır.

Şekil 5. Kaybın üst sınırı ${displaystyle eta}$ çıkış gücünün ${displaystyle P_ {m {s}}}$ tek diskli lazerle kıyaslandığında hala elde edilebilir. Kesikli çizgi, ele geçirilmemiş diske karşılık gelir; kalın katı eğri, katkısız kapaklı durumu temsil eder.^[11]

Lazer malzemeleri için anahtar parametre

Verilen kayıpta elde edilebilecek maksimum gücün tahmini ${displaystyle eta}$, çok duyarlı ${displaystyle eta}$. Üst sınırının tahmini ${displaystyle eta}$istenen çıkış gücünün ${displaystyle P_ {m {s}}}$ elde edilebilir, sağlamdır. Bu tahmin, normalleştirilmiş güce karşı çizilmiştir ${displaystyle s = P_ {m {s}} / P_ {m {d}}}$ şekil 5. Burada, ${displaystyle P_ {m {s}}}$ lazerin çıkış gücü ve ${displaystyle P_ {m {d}} = R ^ {2} / Q}$ gücün boyutsal ölçeği; anahtar parametresi ile ilgilidir ${displaystyle P_ {m {k}} = P_ {m {d}} / eta ^ {3}}$. Kalın kesik çizgi, kaplanmamış disk için tahmini temsil eder. Kalın düz çizgi, katkısız kapaklı disk için aynı şeyi gösterir. İnce düz çizgi nitel tahmini temsil eder ${displaystyle eta = s ^ {1/3}}$ katsayılar olmadan. Daireler, elde edilen güç için deneysel verilere ve arka plan kaybı için karşılık gelen tahminlere karşılık gelir. ${displaystyle eta}$. Gelecekteki tüm deneylerin ve sayısal simülasyonların ve tahminlerin aşağıdaki değerleri vermesi beklenmektedir. ${displaystyle (eta, s)}$, kaplanmamış diskler için Şekil 5'teki kırmızı kesikli çizginin altında ve ASE önleyici kapaklı diskler için mavi eğrinin altında. Bu, disk lazerleri için bir ölçeklendirme yasası olarak yorumlanabilir.^[14]

Belirtilen eğriler civarında disk lazerin verimi düşüktür; pompalama gücünün çoğu ASE'ye gider ve cihazın kenarlarında emilir. Bu durumlarda, mevcut pompa enerjisinin birkaç disk arasında dağıtılması lazerlerin performansını önemli ölçüde artırabilir. Aslında, bazı lazerler aynı boşlukta birkaç elementin bir araya getirildiğini bildirdi.

Darbeli işlem

Darbeli işlem için benzer ölçeklendirme yasaları geçerlidir. İçinde yarı sürekli dalga rejim, maksimum ortalama güç, doygunluk yoğunluğu ile ölçeklendirilerek tahmin edilebilir. doldurma faktörü pompanın ürün ve pompa süresinin tekrarlama oranına oranı. Kısa süreli darbelerde, daha ayrıntılı analiz gerekir.^[15]Tekrarlama oranının orta değerlerinde (örneğin, 1 Hz'den yüksek), çıkış darbelerinin maksimum enerjisi, arka plan kaybının küpüyle kabaca ters orantılıdır. ${displaystyle eta}$; katkısız kapak, bu kapağın arka plan kaybına katkıda bulunmaması koşuluyla, ek bir ortalama çıkış gücü büyüklüğü sıralaması sağlayabilir. Düşük tekrar oranı (ve tek darbeler rejiminde) ve yeterli pompa gücünde, genel enerji sınırı, ancak gerekli darbe enerjisinin artmasıyla cihazın gerekli boyutu hızla büyür ve pratik enerji sınırını belirler; Diskteki sinyalin arka plandaki dahili kaybının seviyesine bağlı olarak, tek bir aktif elemandan optik darbede birkaç joule'den birkaç bin joule'ye kadar çıkarılabileceği tahmin edilmektedir.^[16]

Ayrıca bakınız

• VCSEL
• VECSEL
• Termal şok
• Gidiş dönüş kazancı
• Güç ölçeklendirme
• Orta kazanın
• Lazer makalelerinin listesi

Referanslar