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Escalado de potencia láser

La escalabilidad de potencia de un láser consiste en aumentar su potencia de salida sin modificar su geometría, forma ni principio de funcionamiento. Esta capacidad se considera...

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La escalabilidad de potencia de un láser consiste en aumentar su potencia de salida sin modificar su geometría, forma ni principio de funcionamiento. Esta capacidad se considera una ventaja importante en el diseño de un láser, ya que permite incrementar la potencia sin alterar sus características externas.

Por lo general, el aumento de potencia requiere una fuente de bombeo más potente , una refrigeración más eficaz y un incremento de tamaño. También puede requerir la reducción de las pérdidas de fondo en el resonador láser y, en particular, en el medio de ganancia .

Amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA)

Una forma de lograr la escalabilidad de potencia es mediante el enfoque MOPA. El oscilador maestro (un láser semilla que se amplifica) produce un haz altamente coherente, y se utiliza un amplificador óptico para aumentar la potencia del haz conservando sus propiedades principales. El oscilador maestro no necesita ser potente ni operar con alta eficiencia, ya que esta viene determinada principalmente por el amplificador de potencia. La combinación de varios amplificadores láser alimentados por un oscilador maestro común es un concepto fundamental del Centro de Investigación de Energía Láser de Alta Potencia .

Diseños inherentemente escalables

Esquemas de diferentes geometrías de láseres de estado sólido

El primer láser construido fue un láser de varilla . El aumento de la potencia del láser está limitado por la acumulación de calor en el centro de la varilla, lo que genera una lente térmica. Esto provoca un incremento de las tensiones internas inducido por el láser y, a partir de cierto tamaño y temperatura, la destrucción de la varilla láser. [ 1 ] En la figura se muestra una descripción general de los sistemas de refrigeración, principalmente relacionados con el aumento de potencia.

Láseres de disco

Un tipo de láser de estado sólido diseñado para una buena escalabilidad de potencia es el láser de disco . Estos láseres pueden escalarse a una potencia de varios kilovatios a partir de un único elemento activo en operación de onda continua . [ 2 ] [ 3 ] Para amplificadores de disco ultrarrápidos, se han demostrado láseres con potencias en el rango de kilovatios. [ 4 ] [ 5 ]

La emisión espontánea amplificada , el sobrecalentamiento y las pérdidas por ida y vuelta parecen ser los procesos más importantes que limitan la potencia de los láseres de disco . Para un futuro aumento de potencia, se requiere la reducción de las pérdidas por ida y vuelta y/o la combinación de varios elementos activos. [ 6 ]

láseres de fibra

Los láseres de fibra son otro tipo de láser de estado sólido con buena escalabilidad de potencia. La escalabilidad de potencia de los láseres de fibra está limitada por la dispersión Raman y la dispersión Brillouin , y por el hecho de que dichos láseres no pueden ser muy largos. La longitud limitada de las fibras de doble revestimiento limita la potencia útil del bombeo multimodo , ya que el bombeo no se absorbe eficientemente en el núcleo activo de la fibra. La optimización de la forma del revestimiento puede ampliar el límite de escalabilidad de potencia. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

láseres de disco de fibra

El límite de escalado de potencia de los láseres de fibra se puede extender mediante la entrega lateral del bombeo. Esto se logra en los láseres de disco de fibra. En este tipo de láser, el bombeo se entrega desde el lateral de un disco, hecho de fibra enrollada con núcleo dopado. Varios de estos discos (con un refrigerante entre ellos) se pueden combinar en una pila. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

láseres de gas

Dado que la escalabilidad de potencia está limitada por el volumen del medio de ganancia, los láseres de gas (especialmente los láseres de CO₂ ) fueron los primeros láseres que superaron el límite del kilovatio. Si bien aumentar los volúmenes de gas no representa un desafío en principio, bombear el volumen correspondiente de manera homogénea limitó la escalabilidad de potencia a varias decenas de kilovatios en las décadas de 1970 y 1980. [ 15 ]

Suma coherente y combinación de haces

Suma coherente de 4 láseres de fibra. [ 16 ] [ 17 ]

La escalabilidad también se puede lograr combinando haces láser independientes. Por lo general, no es posible combinar haces completamente independientes para producir un haz con mayor radiancia que la que cada uno posee por separado. Los haces solo se pueden combinar si son coherentes entre sí. Dichos haces se pueden combinar de forma activa o pasiva.

En la combinación pasiva (o suma coherente ) de láseres, solo los pocos modos comunes a todos los láseres combinados pueden superar el umbral de emisión láser . Se ha informado de la combinación pasiva eficiente de ocho láseres. Para aumentar aún más la potencia, se requiere un crecimiento exponencial del ancho de banda de ganancia y/o la longitud de los láseres individuales.

La combinación activa implica la medición en tiempo real de la fase de la salida de cada láser y un ajuste rápido para mantenerlos sincronizados. Este ajuste se puede realizar mediante óptica adaptativa , que resulta eficaz para la supresión del ruido de fase en frecuencias acústicas . Se están investigando esquemas más rápidos basados ​​en conmutación totalmente óptica.

Referencias

  1. ↑ Koechner, W. (1970-11-01). "Lente térmica en una varilla láser Nd:YAG" . Applied Optics . 9 (11): 2548– 2553. doi : 10.1364/AO.9.002548 . ISSN 2155-3165 . 
  2. ↑ Schad, Sven-Silvius; Kuhn, Vincent; Gottwald, Tina; Negoita, Viorel; Killi, Alexander; Wallmeroth, Klaus (28-02-2014). Clarkson, W. Andrew; Shori, Ramesh K. (eds.). "Láser de disco delgado de alta potencia en modo casi fundamental". Láseres de estado sólido XXIII: Tecnología y dispositivos : 89590U. doi : 10.1117/12.2046689 .
  3. ↑ Feuchtenbeiner, Stefanie; Zaske, Sebastián; Schad, Sven-Silvius; Gottwald, Tina; Kuhn, Vicente; Kumkar, Sören; Killi, Alejandro; Haug, Patricio; Speker, Nicolai; Metzger, Bernd (15 de febrero de 2018). «Nueva generación de láseres de disco compactos de alta potencia» . Láseres de Estado Sólido XXVII: Tecnología y Dispositivos . SPIE: 82– 89. doi : 10.1117/12.2289916 .
  4. ↑ Negel, Jan-Philipp; Voss, Andreas; Ahmed, Marwan Abdou; Bauer, Dominik; Sutter, Dirk; Killi, Alexander; Graf, Thomas (15 de diciembre de 2013). "Potencia de salida promedio de 1,1 kW de un amplificador multipaso de disco delgado para pulsos láser ultracortos" . Optics Letters . 38 (24): 5442– 5445. doi : 10.1364/OL.38.005442 . ISSN 1539-4794 . 
  5. ↑ Negel, Jan-Philipp; Loescher, André; Bauer, Dominik; Sutter, Dirk; Killi, Alexander; Ahmed, Marwan Abdou; Graf, Thomas (30-10-2016). "Amplificador multipaso de disco delgado de segunda generación que entrega pulsos de picosegundos con una potencia de salida promedio de 2 kW" . Congreso de Láseres 2016 (ASSL, LSC, LAC) . Optica Publishing Group. doi : 10.1364/ASSL.2016.ATu4A.5 .
  6. ↑ D. Kouznetsov; J.-F.Bisson; J.Dong; K.Ueda (2006). "Límite de pérdida superficial del escalado de potencia de un láser de disco delgado". JOSA B . 23 (6): 1074– 1082. Bibcode : 2006JOSAB..23.1074K . doi : 10.1364/JOSAB.23.001074 .
  7. ↑ Kouznetsov, D.; Moloney, JV (2003). "Amplificador/láser de fibra bombeada por placa de diodo incoherente de alta eficiencia, alta ganancia, longitud corta y potencia escalable". IEEE Journal of Quantum Electronics . 39 (11): 1452– 1461. Bibcode : 2003IJQE...39.1452K . CiteSeerX 10.1.1.196.6031 . doi : 10.1109/JQE.2003.818311 . 
  8. ↑ Kouznetsov, D.; Moloney, JV (2003). "Eficiencia de la absorción de bombeo en amplificadores de fibra de doble revestimiento. 2: Simetría circular rota". JOSA B . 39 (6): 1259– 1263. Bibcode : 2002JOSAB..19.1259K . doi : 10.1364/JOSAB.19.001259 .
  9. ↑ Leproux, P.; S. Fevrier; V. Doya; P. Roy; D. Pagnoux (2003). "Modelado y optimización de amplificadores de fibra de doble revestimiento mediante propagación caótica de bombeo". Optical Fiber Technology . 7 (4): 324– 339. Bibcode : 2001OptFT...7..324L . doi : 10.1006/ofte.2001.0361 .
  10. ↑ A. Liu; K. Ueda (1996). "Características de absorción de fibras de doble revestimiento circulares, desplazadas y rectangulares". Optics Communications . 132 ( 5– 6): 511– 518. Bibcode : 1996OptCo.132..511A . doi : 10.1016/0030-4018(96)00368-9 .
  11. ↑ K. Ueda; A. Liu (1998). "El futuro de los láseres de fibra de alta potencia" . Laser Physics . 8 : 774–781 .
  12. ↑ K. Ueda (1999). "Física de escalado de láseres de fibra tipo disco para salida de kW". Actas de la Conferencia Anual de la IEEE LEOS de 1999. Vol. 2. Sociedad de Láseres y Electroóptica. págs. 788–789 . doi : 10.1109/leos.1999.811970 . ISBN   978-0-7803-5634-4.
  13. ↑ Ueda, K; Sekiguchi H.; Matsuoka Y.; Miyajima H.; H.Kan (1999). "Diseño conceptual de láseres de disco y tubo integrados en fibra de clase kW". CLEO/Pacific Rim '99. Conferencia de la Cuenca del Pacífico sobre Láseres y Electroóptica . Vol. 2. págs. 217–218 . doi : 10.1109/CLEOPR.1999.811381 . ISBN   978-0-7803-5661-0.
  14. ↑ Hamamatsu KK (2006). "El láser de disco de fibra explicado" . Nature Photonics . Muestra: 14–15 . doi : 10.1038/nphoton.2006.6 . Archivado del original el 19 de febrero de 2008.
  15. ↑ DeMaria, AJ (1973). "Revisión de láseres de CO2 de alta potencia de onda continua" . Actas del IEEE . 61 (6): 731– 748. doi : 10.1109/PROC.1973.9153 . ISSN 0018-9219 . 
  16. ↑ A. Shirakawa; T. Satou; T. Sekiguchi; K. Ueda (2002). "Adición coherente de láseres de fibra mediante el uso de un acoplador de fibra" . Optics Express . 10 (21): 1167– 1172. Bibcode : 2002OExpr..10.1167S . doi : 10.1364/oe.10.001167 . PMID 19451976 . 
  17. ↑ D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; A. Shirakawa; K. Ueda (2005). "Límites de la suma coherente de láseres: estimación simple" . Optical Review . 12 (6): 445– 447. Bibcode : 2005OptRv..12..445K . doi : 10.1007/s10043-005-0445-8 . S2CID 27508450. Archivado del original el 27 de septiembre de 2007. Recuperado el 18 de marzo de 2007 .