Láser de disco

Un láser de disco o espejo activo (Fig. 1) es un tipo de láser de estado sólido bombeado por diodo , caracterizado por un disipador de calor y una salida láser ubicados en lados opuestos de una capa delgada de medio de ganancia activo . ^{[ 1 ]} A pesar de su nombre, los láseres de disco no tienen por qué ser circulares; también se han probado otras formas. El espesor del disco es considerablemente menor que el diámetro del haz láser. Inicialmente, esta configuración de cavidad láser se propuso ^{[ 2 ]} y se realizó experimentalmente para láseres semiconductores de lámina delgada. ^{[ 3 ]}

Los conceptos de láser de disco permiten potencias promedio y pico muy altas ^{[ 4 ]} debido a su gran área, lo que lleva a densidades de potencia moderadas en el material activo.

Inicialmente, los láseres de disco se denominaban espejos activos , porque el medio de ganancia de un láser de disco es esencialmente un espejo óptico con un coeficiente de reflexión mayor que la unidad. Un espejo activo es un amplificador óptico de doble paso delgado con forma de disco .

Los primeros espejos activos se desarrollaron en el Laboratorio de Energía Láser (Estados Unidos). ^{[ 6 ] En [ 7 ]} se propuso un láser Nd:YAG de disco bombeado por diodo escalable en la configuración de espejo activo de Talbot. ^{[ 8 ]}

Luego, el concepto fue desarrollado en varios grupos de investigación, en particular, la Universidad de Stuttgart (Alemania) ^{[ 9 ]} para vidrios dopados con Yb.

En el láser de disco , el disipador de calor no tiene por qué ser transparente, por lo que puede ser extremadamente eficiente incluso con un gran tamaño transversal.${\displaystyle ~L~}$del dispositivo (Fig. 1). El aumento de tamaño permite escalar la potencia a muchos kilovatios sin una modificación significativa del diseño. ^{[ 10 ]}

La potencia de dichos láseres está limitada no solo por la potencia de bombeo disponible, sino también por el sobrecalentamiento, la emisión espontánea amplificada (ASE) y la pérdida de fondo de ida y vuelta . ^{[ 11 ]} Para evitar el sobrecalentamiento, el tamaño${\displaystyle ~L~}$debe incrementarse con el escalado de potencia. Luego, para evitar pérdidas importantes debido al crecimiento exponencial de la ASE , la ganancia de viaje transversal${\displaystyle ~u=GL~}$ no puede ser grande. Esto requiere una reducción de la ganancia.${\displaystyle G~}$; esta ganancia está determinada por la reflectividad del acoplador de salida y el espesor${\displaystyle ~h}$La ganancia del viaje de ida y vuelta${\displaystyle ~g=2Gh~}$debería seguir siendo mayor que la pérdida del viaje de ida y vuelta.${\displaystyle \beta ~}$ (la diferencia${\displaystyle g\!-\!\beta ~}$determina la energía óptica que sale de la cavidad láser en cada viaje de ida y vuelta). La reducción de ganancia${\displaystyle G~}$, en una pérdida de ida y vuelta determinada${\displaystyle ~\beta ~}$requiere aumentar el espesor${\displaystyle h}$. Entonces, al alcanzar un tamaño crítico, el disco se vuelve demasiado grueso y no se puede bombear por encima de ese umbral sin sobrecalentarse.

Algunas características de la escala de potencia pueden revelarse a partir de un modelo simple.${\displaystyle Q~}$sea ​​la intensidad de saturación , ^{[ 11 ] [ 12 ]} del medio, ${\displaystyle \eta _{0}=\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}~~}$sea ​​la razón de frecuencias, ${\displaystyle R~}$ser el parámetro de carga térmica . El parámetro clave ${\displaystyle P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~}$ determina la potencia máxima del láser de disco. El espesor óptimo correspondiente se puede estimar con ${\displaystyle h\sim {\frac {R}{Q\beta }}}$. El tamaño óptimo correspondiente ${\displaystyle L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}}$En términos generales, la pérdida en el viaje de ida y vuelta debería ser inversamente proporcional a la raíz cúbica de la potencia requerida.

Otro problema es la entrega eficiente de la energía de bombeo. Con una ganancia de ida y vuelta baja, la absorción de bombeo en un solo paso también es baja. Por lo tanto, se requiere el reciclaje de la energía de bombeo para un funcionamiento eficiente. (Véase el espejo adicional M en el lado izquierdo de la figura 2). Para el escalado de potencia , el medio debe ser ópticamente delgado , con muchos pasos de energía de bombeo requeridos; la entrega lateral de energía de bombeo ^{[ 12 ]} también podría ser una posible solución.

Para reducir el impacto de la ASE, se ha sugerido una tapa anti-ASE compuesta de material sin dopar en la superficie de un láser de disco. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Dicha tapa permite que los fotones emitidos espontáneamente escapen de la capa activa y evita que resuenen en la cavidad. Los rayos no pueden rebotar (Figura 3) como en un disco sin recubrimiento. Esto podría permitir un aumento de un orden de magnitud en la potencia máxima alcanzable por un láser de disco. ^{[ 14 ]} En ambos casos, la reflexión posterior de la ASE desde los bordes del disco debe suprimirse. Esto puede hacerse con capas absorbentes, mostradas en verde en la Figura 4. Al operar cerca de la potencia máxima, una parte significativa de la energía se convierte en ASE; por lo tanto, las capas absorbentes también deben contar con disipadores de calor, que no se muestran en la figura.

La estimación de la potencia máxima alcanzable con una pérdida determinada.${\displaystyle \beta }$es muy sensible a${\displaystyle \beta }$. La estimación del límite superior de${\displaystyle \beta }$, en el que la potencia de salida deseada${\displaystyle P_{\rm {s}}}$es alcanzable es robusto. Esta estimación se grafica en función de la potencia normalizada ${\displaystyle s=P_{\rm {s}}/P_{\rm {d}}}$en la figura 5. Aquí,${\displaystyle P_{\rm {s}}}$es la potencia de salida del láser, y ${\displaystyle P_{\rm {d}}=R^{2}/Q}$es la escala dimensional de potencia; está relacionada con el parámetro clave ${\displaystyle P_{\rm {k}}=P_{\rm {d}}/\beta ^{3}}$La línea discontinua gruesa representa la estimación para el disco sin recubrimiento. La línea continua gruesa muestra lo mismo para el disco con la capa sin dopar. La línea continua delgada representa la estimación cualitativa.${\displaystyle \beta =s^{1/3}}$Sin coeficientes. Los círculos corresponden a los datos experimentales de la potencia alcanzada y a las estimaciones correspondientes de la pérdida de fondo.${\displaystyle \beta }$Se espera que todos los experimentos, simulaciones numéricas y estimaciones futuras proporcionen valores de${\displaystyle (\beta ,s)}$, que se encuentran por debajo de la línea discontinua roja en la Fig. 5 para los discos sin recubrimiento, y por debajo de la curva azul para los discos con recubrimiento anti-ASE. Esto puede interpretarse como una ley de escala para láseres de disco. ^{[ 17 ]}

En las proximidades de las curvas mencionadas, la eficiencia del láser de disco es baja; la mayor parte de la potencia de bombeo se destina a la emisión espontánea amplificada (ASE) y se absorbe en los bordes del dispositivo. En estos casos, la distribución de la energía de bombeo disponible entre varios discos puede mejorar significativamente el rendimiento de los láseres. De hecho, se han reportado algunos láseres que utilizan varios elementos combinados en la misma cavidad.

Leyes de escala similares se aplican al funcionamiento pulsado. En el régimen de onda cuasi continua , la potencia media máxima se puede estimar escalando la intensidad de saturación con el factor de llenado de la bomba y el producto de la duración de la bomba por la frecuencia de repetición. En pulsos de corta duración, se requiere un análisis más detallado. ^{[ 18 ]} Para valores moderados de la frecuencia de repetición (por ejemplo, superiores a 1  Hz), la energía máxima de los pulsos de salida es aproximadamente inversamente proporcional al cubo de la pérdida de fondo.${\displaystyle \beta }$; la tapa sin dopar puede proporcionar un orden de magnitud adicional de potencia de salida media, siempre que esta tapa no contribuya a la pérdida de fondo. A baja frecuencia de repetición (y en el régimen de pulsos únicos) y potencia de bombeo suficiente, no hay un límite general de energía, pero el tamaño requerido del dispositivo crece rápidamente con el aumento de la energía de pulso requerida , estableciendo el límite práctico de energía; se estima que se pueden extraer desde unos pocos julios hasta unos pocos miles de julios en un pulso óptico de un solo elemento activo, dependiendo del nivel de pérdida interna de fondo de la señal en el disco. ^{[ 19 ]}

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