¿Qué es un láser semiconductor bombeado en el extremo?
Los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) vienen en muchos tipos, que pueden ser continuos, pulsados, conmutados Q y de conmutación no lineal, como duplicación de frecuencia y mezcla de frecuencia. La forma del material de trabajo es cilíndrica y en forma de placa. Los métodos de acoplamiento de bombas se pueden dividir en bombeo de extremo y bombeo lateral. El bombeo de extremo se puede dividir en dos estructuras: bombeo de extremo directo y bombeo de extremo acoplado a fibra.
El bombeo final es más eficiente que el bombeo lateral. 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 a través del sistema óptico de convergencia y, por otro lado, la pérdida de acoplamiento es pequeña, la luz de la bomba también tiene un modo determinado; , lo que resulta en oscilación. El modo de luz está estrechamente relacionado con el modo de luz de la bomba y el efecto de combinación es bueno, por lo que la tasa de utilización de la luz de la bomba por parte del medio de trabajo es alta.
Precisamente porque el modo de bomba final tiene las ventajas de alta eficiencia, buena adaptación de modo y buena adaptación de longitud de onda, se ha desarrollado rápidamente a nivel internacional en los últimos años y se ha convertido en una de las direcciones de desarrollo clave de la ciencia del láser. . Se utiliza ampliamente en campos como el marcado láser, el micromecanizado láser, la impresión láser, la tecnología de visualización láser, la medicina láser y la investigación científica, y tiene un enorme potencial de mercado.
2. Modo de acoplamiento de bomba de láser de estado sólido bombeado en el extremo.
2.1 Bomba de extremo directo
El diagrama estructural de la bomba de extremo directo se muestra en la Figura 1. Incluye 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 el conjunto de diodos láser utilizado para el bombeo se acopla a la varilla de cristal a través del sistema óptico de convergencia. La superficie del extremo izquierdo de la varilla de cristal está recubierta con una película dieléctrica multicapa. La película dieléctrica es altamente transparente. bombea luz de la longitud de onda correspondiente y no es sensible a la luz generada. La longitud de onda correspondiente del rayo láser es altamente reflectante. El espejo de salida de la cavidad es un espejo cóncavo recubierto con películas dieléctricas multicapa.
Bombeo final directo
Sin embargo, aunque el láser de bombeo final directo 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 sólido El láser de estado está limitado por la cara del extremo, porque cuando la cara del extremo es pequeña, solo se puede usar un diodo láser y se pueden bombear como máximo dos diodos láser. Esto limita la potencia máxima de la luz de la bomba. Si se utiliza una matriz de diodos láser de alta potencia como fuente de bombeo, la salida de luz de la bomba por parte del diodo de la matriz no es buena y no es fácil acoplar eficazmente la luz de la bomba al material de trabajo, lo que en realidad reduce la eficiencia. Por otro lado, debido al complejo patrón de la luz de la bomba, 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 y generalmente sólo es adecuada para láseres de baja potencia.
2.2 Bombeo final acoplado a fibra
En vista de las debilidades del método de bombeo final directo, la gente ha desarrollado aún más el método de bombeo final acoplado a fibra. El láser de bomba final consta de un diodo láser, dos sistemas de enfoque, fibra de acoplamiento, material de trabajo y espejo de salida, como se muestra en la Figura 2. A diferencia del bombeo directo en el extremo, esta estructura primero acopla el rayo láser emitido por el diodo láser a la fibra óptica. Después de transmitirse a través de una sección de fibra óptica, el rayo emitido por la fibra óptica se convierte en una luz de bombeo con una pequeña divergencia. Ángulo, simetría circular y la intensidad más alta en el medio. Esta luz de bomba de salida se utiliza para bombear el material de trabajo. Dado que coincide bien con el láser de oscilación en el espacio, la eficiencia de bombeo es muy alta. Debido a que el acoplamiento de un diodo láser o una matriz de diodos a una fibra óptica es más fácil que a la sustancia de trabajo, se reducen los requisitos para el acondicionamiento del dispositivo. Y lo más importante, este método de acoplamiento permite 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 causado por la absorción de la luz de la bomba por el cristal del láser afecta directamente la estabilidad, la potencia de salida y eficiencia, calidad del haz, etc. del láser. , lo que hace que el diseño de la expansión de alta potencia de la bomba final sea un problema difícil.
Sin embargo, las lentes térmicas y la despolarización, consecuencias directas de los efectos térmicos, pueden eliminarse 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 de fuentes de bombas múltiples, bombeo de medios de ganancia múltiple en múltiples extremos, 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
Láser Nd ∶YVO4 doble bombeado de doble extremo:
Entre 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 es más Hay otros materiales cristalinos que han llamado la atención debido a su mejor ancho de línea espectral de absorción y su alta eficiencia de conversión de luz a luz. Al mismo tiempo, la investigación también muestra que utilizando 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 conectan dos o más cristales de Nd:YAG en serie para aumentar la longitud de la sustancia de trabajo y obtener un mayor volumen del módulo, obteniendo así una alta potencia de salida [5].
El láser de cristal doble Nd:YVO4 utiliza un revestimiento de superficie de extremo de cristal como espejo final de la cavidad resonante para formar una cavidad resonante plana paralela. A través del análisis teórico de la cavidad equivalente del resonador de planos paralelos, se concluye que el efecto de lente térmica causado 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 llegar rápidamente a su cavidad geométricamente estable [6]. En el desarrollo de láseres de estado sólido de alta potencia con una potencia de salida de varios cientos de vatios a varios kilovatios, se suele utilizar una solución técnica de varias varillas en serie.
Por primera vez en China, se llevó a cabo una investigación experimental sobre láseres Nd:YVO4 duales bombeados de doble extremo. Cuando la potencia de la bomba es de 20,74 W, se obtiene una salida de láser en modo TEM00 de 65438 1064 nm y su eficiencia de conversión de luz a luz es de aproximadamente 53. La Figura 3 es el dispositivo experimental de la serie Nd:YVO4 de doble varilla bombeada de doble extremo [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:
En los últimos años, bomba Uno de los puntos calientes en la investigación de láseres de estado sólido es cómo enfriar efectivamente el cristal del láser y reducir la influencia de los efectos térmicos, para obtener una salida de láser de alta potencia y garantizar una buena calidad del haz. En muchos trabajos de investigación se utilizan placas o cristales láser delgados y se han logrado logros notables gracias a métodos para enfriarlos en grandes áreas.
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 una placa de cristal delgada (1 mm) como medio de ganancia del láser. Ambos lados de la placa de cristal están cerca del disipador de calor y se combinan con la cavidad de mezcla. El campo lejano del haz de salida tiene una distribución aproximadamente gaussiana y tiene una buena calidad del haz [8].
En la actualidad, esta nueva estructura de láser de losa ha realizado el funcionamiento continuo de este tipo de láser en China y ha obtenido una salida láser continua estable en la longitud de onda de 1064 nm cuando la potencia de la bomba es de 60,5 W. La potencia de salida alcanza los 16,2W.
El diagrama esquemático del dispositivo láser se muestra en la Figura 4 [9].
La cavidad resonante del láser de losa está compuesta por un espejo cóncavo y un espejo cilíndrico. El espejo cóncavo es un espejo de cavidad posterior con un radio de curvatura de 250 mm, recubierto con una película antirreflectante de 808 nm y un. Película de reflexión total de 1064 nm; espejo cilíndrico El espejo de superficie es un espejo de cavidad frontal, acoplado con el láser de salida, con un radio de curvatura de 150 mm y una película de reflexión total de 1064 nm.
Como se muestra en la Figura 4b, se colocan dos espejos de cavidad en la posición de enfoque ** con una longitud de cavidad de 50 mm.[9]
3.2.2 Láseres externos de estado sólido bombeados en el extremo y de alta potencia en los últimos años
p>Láser de estado sólido de alta potencia con bombeo final;
El láser de estado sólido de alta potencia con bombeo final de la Universidad de California [10] se muestra en la Figura 5 es un producto de la cooperativa de la Universidad de California y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Después de mejorar aún más la calidad del haz en 1999, se obtuvieron 200 W de onda continua y salida Q-switched con una frecuencia de repetición de 5 kHz y 195 W utilizando varillas Yb:YAG con bombeo terminal LD. Cuando la calidad del haz es 2,4, la flexibilidad del diseño de la cavidad resonante aumenta al mismo tiempo. 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 de alta potencia con bombeo terminal en la Universidad de California, EE. UU.
Yb con bombeo final de matriz de diodos: láser sólido TAG:
Figura 6 Yb con bombeo final de matriz de diodos: diagrama del dispositivo experimental TAG
La Figura 6 es el LLNL experimento Diagrama esquemático de Yb:TAG bombeado por una matriz de diodos de cámara [12]. La fuente de bomba del experimento consta de 36 varillas de LD con lentes microcilíndricas. La longitud de cada varilla es de 15 mm y se enfría mediante 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 la bomba emitida por la matriz de semiconductores ingresa al cristal a través de la lente de acoplamiento. La lente de acoplamiento consta de una lente cilíndrica de acero fundido y un tubo luminoso de aluminio en forma de cuña con el centro hueco. Hay un pequeño orificio en el medio de la lente para permitir que el láser pase suavemente. La superficie interior del tubo de aluminio es un prisma cuadrado y está recubierta con una fina capa de plata para reflejar la luz de la bomba. La lente de acoplamiento puede condensar dos haces de luz de bombeo de 50 × 15 mm2 en un punto de largo de 4,6 × 2,6 mm2 con una relación de compresión de 63. Para reducir las pérdidas causadas por el diseño del dispositivo, el cristal en este experimento tiene una estructura de varilla compuesta, es decir, hay dos tapas de extremo con una longitud de 15 mm en ambos extremos de la varilla de cristal, y las tapas de extremo no están dopadas. con iones activos. Un extremo de la tapa tiene una forma rectangular que coincide con la forma de la luz de la bomba y el otro extremo tiene una forma circular unida a la varilla de cristal. Además, la periferia del cristal ha sido pulida. El centro de la varilla de cristal tiene un diámetro de 2 mm y una longitud de 50 mm. El diámetro aumenta gradualmente desde el centro hasta ambos extremos. Las tapas de los extremos son de 2,2 mm. Este diseño puede reducir eficazmente las pérdidas por emisión espontánea amplificada y las pérdidas por oscilación parásita. Cuando se utiliza una estructura de cavidad de bomba de doble varilla que puede compensar la birrefringencia térmica, se obtiene una salida de luz de frecuencia fundamental de 1080 W, 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 aplicaciones, los láseres de estado sólido de bombeo final se centran principalmente en el procesamiento de materiales, incluido el procesamiento láser convencional: principalmente procesamiento de materiales, como marcado láser, soldadura láser, corte por láser, perforación, etc. La serie de productos de máquinas de marcado láser de estado sólido con bombeo final con estructura compacta, buen rendimiento y operación confiable se ha utilizado ampliamente en China, y el micromecanizado láser y el mecanizado de precisión con láser también se están volviendo muy populares. En el extranjero se han producido láseres de estado sólido con diodos bombeados en el extremo de potencia 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 fusión nuclear con láser, investigación científica, tratamiento médico, detección, análisis, comunicaciones, visualización de proyecciones, aplicaciones militares y defensa y otros campos, y tienen un valor de aplicaciones extremadamente importante.
5. Conclusión
En China, los láseres de estado sólido de bombeo final de baja potencia (