Láser de estado sólido bombeado por diodo

Un láser de estado sólido bombeado por diodo ( DPSSL ) es un láser de estado sólido que se fabrica bombeando un medio de ganancia sólido , por ejemplo, un rubí o un cristal de YAG dopado con neodimio , con un diodo láser .

Los láseres de estado sólido de dipolo (DPSSL) presentan ventajas en cuanto a compacidad y eficiencia respecto a otros tipos, y los DPSSL de alta potencia han sustituido a los láseres de iones y a los láseres bombeados por lámparas de destello en muchas aplicaciones científicas, y ahora aparecen con frecuencia en punteros láser verdes y de otros colores .

La longitud de onda de los diodos láser se ajusta mediante la temperatura para lograr un equilibrio óptimo entre el coeficiente de absorción del cristal y la eficiencia energética (la menor energía posible del fotón de bombeo). Dado que la energía residual está limitada por la lente térmica, esto se traduce en mayores densidades de potencia en comparación con las lámparas de descarga de alta intensidad .

Los láseres de alta potencia utilizan un solo cristal, pero muchos diodos láser se disponen en tiras (múltiples diodos uno al lado del otro en un sustrato) o en pilas (pilas de sustratos). Esta rejilla de diodos se puede proyectar sobre el cristal mediante una lente . Se consigue un mayor brillo (que da lugar a un mejor perfil del haz y una mayor vida útil de los diodos) eliminando ópticamente las zonas oscuras entre los diodos, que son necesarias para la refrigeración y el suministro de corriente. Esto se realiza en dos pasos:

1. El "eje rápido" está colimado mediante una rejilla alineada de microlentes cilíndricas .
2. Los haces parcialmente colimados se proyectan a un tamaño reducido sobre el cristal. El cristal puede ser excitado longitudinalmente desde ambos extremos o transversalmente desde tres o más lados.

Los haces de múltiples diodos también se pueden combinar acoplando cada diodo a una fibra óptica , que se coloca con precisión sobre el diodo (pero detrás de la microlente). En el otro extremo del haz de fibras, estas se fusionan para formar un perfil redondo, uniforme y sin espacios sobre el cristal. Esto también permite el uso de una fuente de alimentación remota.

El láser de barrido láser pulsado (DPSSL) más común es el puntero láser verde de  532 nm . Un potente diodo láser infrarrojo de GaAlAs (>200 mW ) de 808 nm de longitud de onda bombea un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Nd:YAG) o un cristal de ortovanadato de itrio dopado con neodimio (Nd:YVO₄ ₎ , que produce luz de 1064 nm a partir de la transición espectral principal del ion neodimio . Esta luz se duplica en frecuencia mediante un proceso óptico no lineal en un cristal de KTP , produciendo luz de 532 nm. Los DPSSL verdes suelen tener una eficiencia de alrededor del 20%, aunque algunos láseres pueden alcanzar hasta el 35%. En otras palabras, se espera que un DPSSL verde con un diodo de bombeo de 2,5 W genere entre 500 y 900 mW de luz de 532 nm.     

En condiciones óptimas, Nd:YVO ₄ tiene una eficiencia de conversión del 60%, ^{[ 1 ]} mientras que KTP tiene una eficiencia de conversión del 80%. ^{[ 2 ]} En otras palabras, un DPSSL verde puede tener teóricamente una eficiencia global del 48%.

En el ámbito de potencias de salida muy elevadas, el cristal de KTP se vuelve susceptible al daño óptico. Por lo tanto, los láseres de estado sólido de alta potencia (DPSSL) suelen tener un diámetro de haz mayor, ya que el  láser de 1064 nm se expande antes de alcanzar el cristal de KTP, lo que reduce la irradiancia de la luz infrarroja. Para mantener un diámetro de haz menor, se utiliza un cristal con un umbral de daño más alto, como el triborato de litio (LBO).

Los DPSSL azules utilizan un proceso casi idéntico, excepto que la  luz de 808 nm se convierte mediante un cristal de Nd:YAG en  luz de 946 nm (seleccionando esta línea espectral no principal del neodimio en los mismos cristales dopados con Nd), que luego se duplica en frecuencia a 473  nm mediante un cristal de borato de bario beta (BBO) o un cristal de LBO. Debido a la menor ganancia de los materiales, los láseres azules son relativamente débiles y solo tienen una eficiencia de alrededor del 3-5%. A finales de la década de 2000, se descubrió que los cristales de triborato de bismuto (BiBO) eran más eficientes que el BBO o el LBO para la generación de segundo armónico en láseres de bloqueo de modos y no tienen la desventaja de ser higroscópicos , ^{[ 3 ]} lo que degrada el cristal si se expone a la humedad. Sin embargo, en aplicaciones de láser de onda continua, el BiBO puede presentar inestabilidades que degradan su rendimiento. ^{[ 4 ]}

Las lámparas DPSSL amarillas utilizan un proceso aún más complejo: un  diodo de bombeo de 808 nm genera luz de 1064  nm y 1342 nm, que se suman en paralelo para obtener una luz de 593,5 nm. Debido a su complejidad, la mayoría de las lámparas DPSSL amarillas tienen una eficiencia de tan solo alrededor del 1 % y suelen ser más caras por unidad de potencia.  

Otro método consiste en generar  luz de 1064 y 1319 nm, que se suman para obtener 589  nm. ^{[ 5 ]} Este proceso es más eficiente, ya que aproximadamente el 3 % de la potencia del diodo de bombeo se convierte en luz amarilla. ^{[ 6 ]}

Los láseres de estado sólido de doble capa (DPSL) y los láseres de diodo son dos de los tipos más comunes de láseres de estado sólido. Sin embargo, ambos tipos tienen sus ventajas y desventajas.

Los DPSSL generalmente tienen una mayor calidad de haz y pueden alcanzar potencias muy altas manteniendo una calidad de haz relativamente buena. Debido a que el cristal bombeado por el diodo actúa como su propio láser, la calidad del haz de salida es independiente de la del haz de entrada. En comparación, los láseres de diodo solo pueden alcanzar unos pocos cientos de milivatios a menos que operen en modo transversal múltiple. Dichos láseres multimodo tienen un diámetro de haz mayor y una mayor divergencia, lo que a menudo los hace menos deseables. De hecho, la operación monomodo es esencial en algunas aplicaciones, como los accionamientos ópticos . ^{[ 7 ]}

Por otro lado, los láseres de diodo son más económicos y eficientes energéticamente. Dado que los cristales DPSSL no alcanzan una eficiencia del 100%, se pierde potencia durante la conversión de frecuencia. Los DPSSL también son más sensibles a la temperatura y solo pueden funcionar de forma óptima dentro de un rango limitado. De lo contrario, el láser presentaría problemas de estabilidad, como saltos entre modos y grandes fluctuaciones en la potencia de salida. Además, los DPSSL requieren una construcción más compleja.

Los láseres de diodo también pueden modularse con precisión a una frecuencia mayor que los láseres DPSSL.

Los láseres de estado sólido dopados con neodimio siguen siendo la fuente láser preferida para aplicaciones industriales. El bombeo directo del nivel láser superior de Nd a 885 nm (en lugar de la banda ancha más tradicional de 808 nm) ofrece el potencial de un rendimiento mejorado mediante una reducción del defecto cuántico de láser, lo que mejora la eficiencia del sistema, reduce los requisitos de refrigeración y permite una mayor escalabilidad de la potencia TEM00. Debido a la estrecha característica de absorción de 885 nm en Nd:YAG, ciertos sistemas pueden beneficiarse del uso de fuentes de bombeo de diodo bloqueadas en longitud de onda, que sirven para estrechar y estabilizar el espectro de emisión de bombeo para mantenerlo estrechamente alineado con esta característica de absorción. Hasta la fecha, los esquemas de bloqueo de láser de diodo de alta potencia, como las rejillas de Bragg de retroalimentación distribuida interna y las ópticas de rejilla holográfica volumétrica (VHG) alineadas externamente, no se han implementado ampliamente debido al mayor costo y la penalización de rendimiento supuesta de la tecnología. Sin embargo, los avances recientes en la fabricación de fuentes de bombeo de diodo estabilizadas que utilizan bloqueo de longitud de onda externo ofrecen ahora propiedades espectrales mejoradas con poco o ningún impacto en la potencia y la eficiencia. ^{[ 8 ]} Entre los beneficios de este enfoque se incluyen mejoras en la eficiencia del láser, el ancho de línea espectral y la eficiencia de bombeo.

• Preguntas frecuentes sobre el láser de Sam