¿Qué es un láser semiconductor bombeado en el extremo?
El láser es uno de los principales inventos de la ciencia y la tecnología modernas. Con importantes avances en la tecnología de diodos láser semiconductores, los láseres de estado sólido se han desarrollado fuertemente y sus campos de aplicación han seguido expandiéndose. El más importante es el desarrollo de la tecnología de bombeo láser de estado sólido utilizando láseres semiconductores y láseres de matriz de semiconductores. Se trata de un nuevo láser de estado sólido de segunda generación con alta eficiencia, larga vida útil, alta calidad del haz, buena estabilidad y estructura compacta. miniaturización, actualmente tiene perspectivas de aplicación únicas en campos de alta tecnología como comunicaciones espaciales, comunicaciones por fibra óptica, investigación atmosférica, ciencias ambientales, equipos médicos, procesamiento de imágenes ópticas, impresoras láser, etc.
Existen muchos tipos de láseres de estado sólido bombeados por diodos láser (Diode Pumped Solid State Laser-DPSSL), que pueden ser de conversión continua, pulsada, conmutada Q y no lineal, como la mezcla por duplicación de frecuencia. La forma del material de trabajo es cilíndrica y parecida a un listón. Los métodos de acoplamiento de las bombas se pueden dividir en bombas de extremo y bombas laterales, y las bombas de extremo se pueden dividir en dos estructuras: bombas de extremo directo y bombas de extremo acopladas a fibra.
En comparación con el bombeo lateral, el bombeo final tiene mayor eficiencia. Esto se debe a que, cuando el modo del láser de la bomba no es tan malo, la luz de la bomba se puede acoplar al material de trabajo mediante el sistema óptico convergente y, por otro lado, la pérdida de acoplamiento es pequeña, la luz de la bomba también tiene un modo determinado; , lo que resulta en que el modo de la luz de oscilación está estrechamente relacionado con el modo de la luz de la bomba y el efecto de adaptación es bueno. Por lo tanto, la tasa de utilización de la luz de la bomba por parte del material de trabajo es relativamente alta.
Precisamente debido a las ventajas del método de bombeo final, como la alta eficiencia, la buena adaptación de modo y la adaptación de longitud de onda, se ha desarrollado extremadamente rápidamente a nivel internacional en los últimos años y se ha convertido en una de las direcciones clave de desarrollo de La disciplina láser. Se utiliza ampliamente en los campos del marcado láser, el micromecanizado láser, la impresión láser, la tecnología de visualización láser, la medicina láser y la investigación científica, y tiene un gran potencial de mercado.
2. Método de acoplamiento de bomba del láser de estado sólido bombeado en el extremo
2.1 Bombeo final directo
La estructura del bombeo final directo se muestra en la Figura 1 Diagrama esquemático. Consta de tres partes: fuente de bomba de diodo láser (compuesta por una matriz de diodo láser, fuente impulsora y refrigerador), sistema de acoplamiento óptico, varilla láser y cavidad resonante. La luz de la bomba emitida por la matriz de diodos láser utilizada para el bombeo se acopla a la varilla de cristal a través del sistema óptico convergente. La superficie del extremo izquierdo de la varilla de cristal está recubierta con una película dieléctrica multicapa. La longitud de onda correspondiente de la luz de la bomba es. altamente transparente y la longitud de onda correspondiente del rayo láser generado es altamente reflectante, y el espejo de salida de la cavidad es un espejo cóncavo recubierto con películas dieléctricas multicapa.
Bombeo directo en el extremo
Sin embargo, aunque el láser de bombeo directo en el extremo tiene una estructura compacta, una alta eficiencia de conversión y una buena distribución de la intensidad de la luz en modo fundamental, la potencia de salida del láser sólido El láser de estado tiene restricciones limitadas en la cara del extremo, porque cuando la cara del extremo es pequeña, solo se pueden usar diodos láser unitarios y solo se pueden bombear dos diodos láser como máximo. Esto limita la potencia máxima de la luz de la bomba. Si se utiliza una matriz de diodos láser de mayor potencia como fuente de bombeo, el patrón de luz de la bomba emitido por el diodo tipo matriz no es bueno, por lo que no es fácil acoplar efectivamente la luz de la bomba al material de trabajo, lo que en realidad reduce la eficiencia. Por otro lado, debido a que el patrón de luz de la bomba es relativamente complejo, no es fácil garantizar la calidad de la salida del rayo láser después del bombeo. Además, esta estructura tiene un efecto deficiente de disipación de calor, por lo que generalmente sólo es adecuada para trabajar con láseres de baja potencia.
2.2 Bombeo final acoplado a fibras
En vista de las debilidades del método de bombeo final directo, la gente ha desarrollado aún más el bombeo final acoplado a fibras. El láser de bomba final consta de un diodo láser, dos sistemas de enfoque, fibras de acoplamiento, material de trabajo y un espejo de salida, como se muestra en la Figura 2. A diferencia del bombeo final directo, esta estructura primero acopla la luz láser emitida por el diodo láser con una calidad de haz deficiente en la fibra óptica. Después de una sección de transmisión de fibra óptica, el haz de luz emitido desde la fibra óptica se vuelve circularmente simétrico con una longitud de onda de 100 mm. Pequeño ángulo de divergencia, el haz de bomba con la mayor intensidad de luz en la parte media. Esta luz de bomba de salida se utiliza para bombear el material de trabajo. Dado que coincide espacialmente con el láser de oscilación, la eficiencia de bombeo es muy alta.
Puesto que el acoplamiento entre el diodo láser o conjunto de diodos y la fibra óptica es más sencillo que el acoplamiento con la sustancia de trabajo, se reducen los requisitos para el ajuste del dispositivo. Y lo más importante es que este método de acoplamiento puede permitir que el láser de estado sólido emita un rayo láser con buen modo y alta eficiencia.
Figura 2 Bombeo final acoplado a fibra
3. Láser de estado sólido de bombeo final de alta potencia
3.1 Problemas con el bombeo final de alta potencia láser de estado sólido
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En los láseres de estado sólido de bombeo final de alta potencia, el efecto térmico generado por el cristal del láser que absorbe la luz de la bomba tiene un impacto directo en la estabilidad, la potencia de salida y eficiencia, calidad del haz, etc. del láser, lo que hace que el diseño de la bomba final tenga un problema de escalado de alta potencia.
Sin embargo, las consecuencias directas de los efectos térmicos (lentes térmicas y despolarización) se pueden eliminar en gran medida optimizando el diseño de la cavidad. En los últimos años, se han desarrollado muchas tecnologías para aumentar la potencia de salida, como el acoplamiento bidireccional, fuentes de bombeo de alta potencia, haces de fibras con múltiples fuentes de bombeo, bombeo de múltiples extremos con múltiples medios de ganancia, etc. La combinación de estas tecnologías ha promovido el desarrollo de láseres de estado sólido con bombeo final.
3.2 Introducción a varios láseres de estado sólido de bombeo final de alta potencia
3.2.1 Láseres de estado sólido de bombeo final de alta potencia domésticos actuales
Bomba de doble extremo Láser dual Nd:YVO4:
Entre los muchos cristales láser adecuados para el bombeo de diodos láser, el cristal Nd:YVO4 tiene una gran sección transversal de emisión estimulada a 1064 nm, un alto coeficiente de absorción a 808 nm, y Parámetros como el ancho de la línea del espectro de absorción son superiores a otros materiales cristalinos existentes y han atraído mucha atención debido a su alta eficiencia de conversión de luz a luz. La investigación también muestra que al utilizar una estructura de cavidad plana paralela, todo el sistema puede obtener una salida de láser proporcional al número de varillas sin reducir la calidad del haz. Se pueden conectar dos o más cristales de Nd:YAG en serie para aumentar la sustancia de trabajo. longitud, se obtiene un volumen de módulo mayor, lo que resulta en una salida de alta potencia [5].
El láser de cristal doble Nd:YVO4 utiliza el revestimiento del extremo del cristal como espejo del extremo de la cavidad resonante para formar una cavidad resonante plana paralela. Un análisis teórico de la cavidad equivalente de un resonador de planos paralelos muestra que el efecto de lente térmica producido por la absorción de la luz de la bomba por el cristal láser juega un papel importante en el mantenimiento de la estabilidad de la cavidad, permitiendo que la cavidad equivalente alcance rápidamente su forma geométrica. cavidad estable [6], en el desarrollo de láseres de estado sólido de alta potencia con potencias de salida que van desde cientos de vatios hasta varios kilovatios, a menudo se utiliza la solución técnica de conexión en serie de varillas múltiples.
Por primera vez en China, se llevó a cabo el estudio experimental del láser Nd:YVO4 dual bombeado de doble extremo cuando la potencia de la bomba era de 20,74 W, se obtuvo una salida de láser en modo TEM00 de 11 W y 1064 nm. La eficiencia de conversión de luz a luz fue de aproximadamente 53. La Figura 3 es un diagrama del dispositivo experimental Nd∶YVO4 de doble varilla bombeada de doble extremo en serie [7].
Figura 3 Láser Nd:YVO4 dual bombeado de doble extremo
Láser de losa Nd:YVO4 de cavidad mixta con diodo bombeado en el extremo:
Con respecto al bombeo final en los últimos tiempos años Uno de los puntos calientes en la investigación de láseres de estado sólido es cómo enfriar eficazmente el cristal del láser y reducir la influencia de los efectos térmicos, a fin de obtener una salida de láser de alta potencia y al mismo tiempo garantizar una buena calidad del haz. En muchos trabajos de investigación se han utilizado cristales láser en forma de listones o escamas y se han logrado logros notables gracias al método de enfriamiento de una gran superficie.
El nuevo láser de losa de cavidad mixta no solo tiene las ventajas de un enfriamiento eficiente de los láseres de losa, sino que también tiene ventajas que los láseres de losa tradicionales no tienen. Utiliza un cristal en escamas delgado (1 mm) como medio de ganancia del láser. Ambas superficies del cristal en escamas están estrechamente unidas al disipador de calor. Combinado con la cavidad de mezcla, el campo lejano del haz de salida tiene una distribución aproximadamente gaussiana. Muy buena calidad del haz [8].
En la actualidad, este nuevo tipo de estructura láser de losa se ha utilizado para realizar el funcionamiento continuo de este tipo de láser en China, y se obtiene una salida láser continua estable con una longitud de onda de 1064 nm cuando se bombea. la potencia es de 60,5 W, la potencia de salida alcanza los 16,2 W.
El diagrama esquemático del dispositivo láser se muestra en la Figura 4 [9].
La cavidad resonante del láser de losa consta de un espejo cóncavo y un espejo cilíndrico. El espejo cóncavo es un espejo de cavidad posterior con un radio de curvatura de 250 mm y está recubierto con un revestimiento antirreflectante de 808 nm. revestimiento de reflexión total; el espejo cilíndrico El espejo frontal es un espejo de cavidad frontal y acopla el láser de salida con un radio de curvatura de 150 mm y está recubierto con una película de reflexión total de 1064 nm. Los dos espejos de cavidad se muestran en la Figura 4b, colocados al máximo. posición focal y la longitud de la cavidad es de 50 mm. [9]
3.2.2 Láseres de estado sólido de bombeo final de alta potencia extranjeros en los últimos años
Láseres de estado sólido operativos de alta potencia de bombeo final:
Figura 5 El láser de estado sólido operativo de alta potencia con bombeo final que se muestra en la Universidad de California [10] es una colaboración entre la Universidad de California y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1999, después de mejorar aún más la calidad del haz. , se utilizó una varilla Yb:YAG con bombeo final de LD para obtener 200 W continuos. La frecuencia de onda y repetición es de 5 kHz, una salida con conmutación Q de 195 W y una salida con conmutación Q de 183 W se obtiene cuando la calidad del haz M2 = 2,4. Al mismo tiempo, se aumenta la flexibilidad del diseño de la cavidad resonante y se utiliza la compensación de birrefringencia dentro de la cavidad para obtener una salida de luz polarizada, lo que mejora la eficiencia y obtiene una salida de luz polarizada de onda continua de 112 W con una calidad de haz M2=3,2. [11]
Figura 5 Láser de estado sólido operativo de alta potencia con bombeo final en la Universidad de California, EE. UU.
Yb con matriz de diodos bombeado por el extremo: Láser de estado sólido TAG:
Fig. 6 Diagrama del dispositivo experimental del bombeo final del conjunto de diodos Yb:TAG
La Figura 6 es un diagrama esquemático del bombeo final del conjunto de diodos Yb:TAG utilizado en el laboratorio de LLNL [12 ]. La fuente de bomba del experimento está compuesta por 36 barras LD con lentes microcilíndricas. La longitud de cada barra es de 15 mm y utiliza refrigeración por microcanales a base de silicio. El módulo de bomba está dividido en partes superior e inferior y el láser pasa a través de un orificio circular con un diámetro de 6 mm en el medio. La luz de bombeo del conjunto de semiconductores pasa a través de una lente de acoplamiento y entra en el cristal. La lente de acoplamiento se compone de una lente cilíndrica de cuarzo fundido y de un tubo conductor de luz de aluminio en forma de cuña, ahuecado en el centro. Hay un pequeño orificio en el medio de la lente de cuarzo para permitir que el láser pase suavemente. La superficie interior del tubo de aluminio tiene forma de pirámide cuadrangular y está recubierta con una fina capa de plata para reflejar la luz de la bomba. Esta lente de acoplamiento puede hacer converger dos haces de luz de bombeo de 50 × 15 mm2 en un punto alargado de 4,6 × 2,6 mm2 con una relación de compresión de 63. Para reducir la pérdida causada por el diseño del dispositivo, el cristal en este experimento tiene una estructura de varilla compuesta, es decir, hay dos tapas de extremo de 15 mm de largo en ambos extremos de la varilla de cristal. No hay iones activados dopados en el extremo. tapas. Un extremo de la tapa del extremo tiene la forma de la luz de la bomba coincide con el rectángulo, y un extremo es un círculo unido a la varilla de cristal. Además, se pulen los alrededores del cristal, y el diámetro del centro de la varilla de cristal es de 2 mm y la longitud es de 50 mm desde el centro hasta ambos extremos, el diámetro aumenta gradualmente y el diámetro donde se conecta con los dos. Las tapas de los extremos son de 2,2 mm. Este diseño puede reducir eficazmente la pérdida por emisión espontánea amplificada y la pérdida por oscilación parásita causada por el pulido. Cuando se adopta una estructura de cavidad de bomba de doble varilla que puede compensar la birrefringencia inducida térmicamente, se obtiene una salida de frecuencia fundamental de 1080W, con una eficiencia óptica de 27,5 y una eficiencia electroóptica de 12,3.
4. Aplicación de láseres de estado sólido de bombeo final de alta potencia en el país y en el extranjero
En términos de aplicación, los láseres de estado sólido de bombeo final se utilizan principalmente para el procesamiento de materiales. , incluido el procesamiento láser convencional: principalmente es procesamiento de materiales, como marcado láser, soldadura láser, corte y perforación por láser, etc. La serie de productos de máquinas de marcado láser de estado sólido con bombeo final, con estructura compacta, buen rendimiento y funcionamiento confiable, se ha utilizado ampliamente en China. También se está promocionando ampliamente el micromecanizado láser y el mecanizado de precisión con láser. En países extranjeros, ya se encuentran disponibles láseres de estado sólido con diodo bombeado en el extremo de nivel de kilovatios, pero actualmente están limitados principalmente por el costo y la demanda del mercado.
Además del procesamiento de materiales, los láseres de estado sólido bombeados en el extremo con diodos de alta potencia también se pueden utilizar en campos como la fusión nuclear con láser, la investigación científica, el tratamiento médico, la detección, el análisis, las comunicaciones y la visualización de proyecciones. , y defensa militar y nacional, por lo que tienen aplicaciones extremadamente importantes.
5. Conclusión
La tecnología láser de estado sólido de bombeo final de baja potencia (lt; 200 mw) de mi país es relativamente madura, y la industrialización (con muchas aplicaciones de comunicación óptica) también lo es. en auge. Sin embargo, el nivel actual del mercado de láseres de estado sólido de bombeo final extranjeros ha alcanzado cientos de vatios y el nivel de laboratorio ha alcanzado el nivel de kilovatios. Sin embargo, el desarrollo de láseres de estado sólido de bombeo terminal de alta potencia en China siempre ha tenido limitaciones, y la investigación en esta área debe llevarse a cabo activamente si se puede lograr la industrialización, definitivamente traerá enormes beneficios económicos y sociales.