Дисковый лазер

Не путать с LaserDisc , большим дискообразным оптическим носителем данных, или с волоконными лазерными дисками , дискообразными катушками волоконного лазера.

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

Дисковый лазер или активное зеркало (рис.1) представляет собой тип твердотельного лазера с диодной накачкой , характеризующийся радиатором и выходом лазера, которые реализованы на противоположных сторонах тонкого слоя активной усиливающей среды . Несмотря на название, дисковые лазеры не обязательно должны быть круглыми; были опробованы и другие формы. Толщина диска значительно меньше диаметра лазерного луча. Первоначально такая конфигурация лазерного резонатора была предложена и реализовано экспериментально для тонкослойных полупроводниковых лазеров.

Концепции дискового лазера обеспечивают очень высокую среднюю и пиковую мощность. из-за своей большой площади, что приводит к умеренной плотности мощности на активном материале.

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 , поскольку усиливающая среда дискового лазера по сути представляет собой оптическое зеркало с коэффициентом отражения больше единицы. Активное зеркало представляет собой тонкий дискообразный двухпроходной оптический усилитель .

Первые активные зеркала были разработаны в Лаборатории лазерной энергетики (США). Масштабируемый дисковый Nd:YAG-лазер с диодной накачкой был предложен в в конфигурации активного зеркала Talbot.

Затем концепция разрабатывалась в различных исследовательских группах, в частности, Штутгартский университет (Германия) для Yb:легированные очки.

В дисковом лазере радиатор не обязательно должен быть прозрачным, поэтому он может быть чрезвычайно эффективным даже при больших поперечных размерах. $~L~$ устройства (рис.1). Увеличение размеров позволяет масштабировать мощность до многих киловатт без существенной модификации конструкции.

Предел масштабирования мощности дисковых лазеров

Рис.3. Отскакивающий луч ASE в дисковом лазере

Мощность таких лазеров ограничена не только мощностью накачки, но и перегревом, усиленным спонтанным излучением (ASE) и фоновая двусторонняя потеря . Во избежание перегрева размер $~L~$ следует увеличивать с масштабированием мощности. Тогда, чтобы избежать сильных потерь из-за экспоненциального роста ASE отключения , коэффициент поперечного $~u=GL~$ не может быть большим. Это требует уменьшения выигрыша $G~$; этот коэффициент усиления определяется отражательной способностью выходного ответвителя и толщиной $~h$. Выигрыш в обе стороны $~g=2Gh~$ должно оставаться больше, чем потеря туда и обратно $\beta ~$ (разница $g\!-\!\beta ~$ определяет оптическую энергию, который выводится из резонатора лазера при каждом обходе). Уменьшение выигрыша $G~$, при заданных двусторонних потерях $~\beta ~$, требует увеличения толщины $h$. Затем при каком-то критическом размере диск становится слишком толстым и его невозможно прокачивается выше порога без перегрева.

Некоторые особенности масштабирования мощности можно выявить на примере простой модели. Позволять $Q~$ быть интенсивностью насыщения , среды, $\eta _{0}=\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}~~$ быть отношением частот, $R~$ быть параметром тепловой нагрузки . Ключевой параметр $P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~$ определяет максимальную мощность дискового лазера. Соответствующую оптимальную толщину можно оценить с помощью $h\sim {\frac {R}{Q\beta }}$. Соответствующий оптимальный размер $L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}$. Грубо говоря, двусторонние потери должны масштабироваться обратно пропорционально кубическому корню из требуемой мощности.

Дополнительной проблемой является эффективная доставка энергии насоса. При низком коэффициенте усиления в обоих направлениях однопроходное поглощение насоса также невелико. Поэтому для эффективной работы необходима утилизация энергии насоса. (См. доп. зеркало М в левой части рисунка 2.) Для мощности масштабирования среда должна быть оптически тонкой , требующей многих проходов энергии накачки; боковая доставка энергии накачки также может быть возможным решением.

Масштабирование дисковых лазеров посредством самоизображения

Твердотельные лазеры с тонкими дисками с диодной накачкой можно масштабировать посредством поперечной синхронизации мод в резонаторах Тальбота. Замечательной особенностью масштабирования Тальбота является то, что число Френеля $F$ принадлежащий $N-$ элемент лазерной решетки, синхронизированный по фазе путем самовизуализации, определяется выражением:

$F=(N-1)^{2}.$

Ограничение на количество эмиттеров с фазовой автоподстройкой частоты $N$ обусловлено случайно распределенной фазой искажения по активному зеркалу порядка $\lambda /10\div \lambda /100$.

Анти-ASE колпачок

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

Для снижения влияния ASE на поверхность дискового лазера предложен анти-ASE колпачок из нелегированного материала. Такая крышка позволяет спонтанно излучаемым фотонам выходить из активного слоя и предотвращает их резонанс в резонаторе. Лучи не могут отскакивать (рис. 3), как в непокрытом диске. Это могло бы позволить на порядок увеличить максимальную мощность, достижимую дисковым лазером. В обоих случаях обратное отражение ASE от краев диска должно быть подавлено. Это можно сделать с помощью поглощающих слоев, показанных на рисунке 4 зеленым цветом. При работе, близкой к максимальной мощности, значительная часть энергии уходит в ASE; поэтому поглощающие слои также должны быть снабжены теплоотводами, которые на рисунке не показаны.

Рис. 5. Верхняя граница потерь $\beta$ при котором выходная мощность $P_{\rm {s}}$ одного дискового лазера все еще достижимо. Пунктирная линия соответствует непокрытому диску; толстая сплошная кривая представляет случай с нелегированной крышкой.

Ключевой параметр для лазерных материалов

Оценка максимальной мощности, достижимой при заданных потерях $\beta$, очень чувствителен к $\beta$. Оценка верхней границы $\beta$, при котором желаемая выходная мощность $P_{\rm {s}}$ достижимо, является надежным. Эта оценка построена в зависимости от нормализованной мощности. $s=P_{\rm {s}}/P_{\rm {d}}$ на рисунке 5. Здесь $P_{\rm {s}}$ - выходная мощность лазера, а $P_{\rm {d}}=R^{2}/Q$ – размерный масштаб мощности; это связано с ключевым параметром $P_{\rm {k}}=P_{\rm {d}}/\beta ^{3}$. Толстая пунктирная линия представляет оценку непокрытого диска. То же самое показано толстой сплошной линией для диска с нелегированной крышкой. Тонкая сплошная линия представляет качественную оценку $\beta =s^{1/3}$ без коэффициентов. Кружки соответствуют экспериментальным данным по достигнутой мощности и соответствующим оценкам потерь фона. $\beta$. Ожидается, что все будущие эксперименты, численное моделирование и оценки дадут значения $(\beta ,s)$, которые находятся ниже красной пунктирной линии на рис.5 для непокрытых дисков и ниже синей кривой для дисков с анти-ASE-крышкой. Это можно интерпретировать как закон масштабирования для дисковых лазеров. .

Вблизи указанных кривых эффективность дискового лазера мала; большая часть мощности накачки поступает в ASE и поглощается на краях устройства. В этих случаях распределение имеющейся энергии накачки между несколькими дисками может существенно улучшить характеристики лазеров. Действительно, в некоторых лазерах сообщалось об использовании нескольких элементов, объединенных в одном резонаторе.

Импульсный режим

Аналогичные законы масштабирования имеют место и для импульсного режима работы. В режиме квазинепрерывных волн максимальную среднюю мощность можно оценить путем масштабирования интенсивности насыщения с коэффициентом заполнения насоса и произведения продолжительности накачки на частоту повторения. При кратковременных импульсах необходим более детальный анализ. При умеренных значениях частоты следования (скажем, выше 1 Гц) максимальная энергия выходных импульсов примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь. $\beta$; нелегированная крышка может обеспечить дополнительный порядок средней выходной мощности при условии, что эта крышка не способствует фоновым потерям. При низкой частоте следования (и в режиме одиночных импульсов) и достаточной мощности накачки общего ограничения энергии нет, но требуемые размеры устройства быстро растут с увеличением необходимой энергии импульса, устанавливая практический предел энергии; подсчитано, что в оптическом импульсе от одного активного элемента можно извлечь от нескольких джоулей до нескольких тысяч джоулей в зависимости от уровня фоновых внутренних потерь сигнала в диске.

См. также

• ВКСЭЛ
• ВЕКСЕЛ
• Термический шок
• Прибыль туда и обратно
• Масштабирование мощности
• Усиление среднее
• Список лазерных статей