Escalado de potencia láser
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El escalado de potencia de un láser aumenta su potencia de salida sin cambiar la geometría, la forma o el principio de funcionamiento. La escalabilidad de potencia se considera una ventaja importante en un diseño láser.

Por lo general, el escalado de energía requiere una fuente de bomba más potente , un enfriamiento más fuerte y un aumento de tamaño. También puede requerir la reducción de la pérdida de fondo en el resonador láser y, en particular, en el medio de ganancia .

MOPA

La forma más popular de lograr escalabilidad de potencia es el enfoque "MOPA" (Amplificador de potencia del oscilador maestro). El oscilador maestro produce un haz altamente coherente y se usa un amplificador óptico para aumentar la potencia del haz mientras se preservan sus propiedades principales. El oscilador maestro no necesita ser potente y no necesita operar con alta eficiencia porque la eficiencia está determinada principalmente por el amplificador de potencia. La combinación de varios amplificadores láser sembrados por un oscilador maestro común es un concepto esencial de la instalación de investigación de energía láser de alta potencia .

Diseños intrínsecamente escalables

Láseres de disco

Una configuración de disco láser presentada en 1992 en la conferencia SPIE . [1]

Un tipo de láser de estado sólido diseñado para una buena escala de potencia es el láser de disco (o "espejo activo" [1] ). Se cree que tales láseres son escalables a una potencia de varios kilovatios desde un solo elemento activo en funcionamiento de onda continua . [2] Quizás, las expectativas de escalabilidad de potencia de los láseres de disco son un poco exageradas: algunas de las publicaciones a favor del láser de disco simplemente se repiten; comparar, por ejemplo [3] y; [4] estos artículos se diferencian únicamente por los títulos [ se disputa la neutralidad ] .

La emisión espontánea amplificada , el sobrecalentamiento y la pérdida de ida y vuelta parecen ser los procesos más importantes que limitan la potencia de los láseres de disco . [5] Para el futuro escalado de potencia, se requiere la reducción de la pérdida de ida y vuelta y / o la combinación de varios elementos activos.

Láseres de fibra

Los láseres de fibra son otro tipo de láser de estado sólido con una buena escala de potencia. La escala 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 utilizable de la bomba multimodo , porque la bomba no se absorbe de manera eficiente en el núcleo activo de la fibra. La optimización de la forma del revestimiento puede ampliar el límite de escala de potencia. [6] [7] [8] [9]

Láseres de disco de fibra

El límite de escala de potencia de los láseres de fibra se puede ampliar con la entrega lateral de la bomba. Esto se realiza en los llamados láseres de disco de fibra [10] [11] [12] [13] . La bomba en un láser de este tipo se suministra desde el lado 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.

Problema del disipador de calor

La escala de potencia está limitada por la capacidad de disipar el calor. Por lo general, la conductividad térmica de los materiales diseñados para una acción láser eficiente es pequeña en comparación con la de los materiales óptimos para la transferencia de calor ( metales , diamantes ). Para el drenaje eficiente de calor de un dispositivo compacto, el medio activo debe ser una losa estrecha; para aprovechar la amplificación de la luz en la dirección deseada sobre el ASE, la energía y la cabeza se retirarían en direcciones ortogonales, como se muestra en la figura. Con una pérdida de fondo baja (típicamente, al nivel de 0,01 o 0,001), el calor y la luz pueden retirarse en direcciones opuestas, lo que permite elementos activos de amplia apertura. En este caso, se utiliza la combinación de varios elementos activos para el escalado de potencia.

Adición coherente y combinación de vigas

Adición coherente de 4 láseres de fibra. [14] [15]

La escalabilidad también se puede lograr combinando rayos láser separados. Por lo general, los haces completamente independientes no se pueden combinar para producir un haz con una radiación más alta que la que tiene cada haz por sí solo. Las vigas solo se pueden combinar si son coherentes entre sí. Estos haces se pueden combinar de forma activa o pasiva.

En la combinación pasiva (o adición coherente ) de láseres, solo los pocos modos comunes a todos los láseres combinados pueden estar por encima del umbral de láser . Se ha informado de una combinación pasiva eficaz de ocho láseres. Una mayor escala de potencia 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 los láseres individuales y un ajuste rápido para mantenerlos a todos en fase. Dicho ajuste puede realizarse mediante óptica adaptativa , que es eficaz para la supresión del ruido de fase en frecuencias acústicas . Se están investigando esquemas más rápidos basados ​​en conmutación totalmente óptica.

Referencias

  1. ^ a b K. Ueda; N. Uehara (1993). Chung, Y. C (ed.). "Láseres de estado sólido bombeados por diodos láser para antena de ondas gravitacionales" . Procedimientos de SPIE . Láseres de frecuencia estabilizada y sus aplicaciones. 1837 : 336–345. Código Bibliográfico : 1993SPIE.1837..336U . doi : 10.1117 / 12.143686 .[ enlace muerto ]
  2. ^ A. Giesen; H. Hügel; A. Voss; K. Wittig; U. Brauch; H. Opower (1994). "Concepto escalable para láseres de estado sólido de alta potencia bombeados por diodos". Física Aplicada B . 58 (5): 365–372. Código bibliográfico : 1994ApPhB..58..365G . doi : 10.1007 / BF01081875 .
  3. ^ A. Giesen (2004). Terry, Jonathan A. C; Clarkson, W. Andrew (eds.). "Láseres de estado sólido de disco fino" . Procedimientos de SPIE . Tecnologías láser de estado sólido y fenómenos de femtosegundos. 5620 : 112–127. Código Bib : 2004SPIE.5620..112G . doi : 10.1117 / 12.578272 .[ enlace muerto permanente ]
  4. ^ A. Giessen (2004). Scheps, Richard; Hoffman, Hanna J (eds.). "Resultados y leyes de escala de láseres de disco fino" . Procedimientos de SPIE . Láseres de estado sólido XIII: tecnología y dispositivos. 5332 : 212-227. Código Bibliográfico : 2004SPIE.5332..212G . doi : 10.1117 / 12.547973 .[ enlace muerto permanente ]
  5. ^ D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; J.Dong; K.Ueda (2006). "Límite de pérdida de superficie del escalado de potencia de un láser de disco fino". JOSA B . 23 (6): 1074–1082. Código bibliográfico : 2006JOSAB..23.1074K . doi : 10.1364 / JOSAB.23.001074 .
  6. ↑ Kouznetsov, D .; Moloney, JV (2003). "Amplificador / láser de fibra bombeada por diodos incoherentes de alta eficiencia, alta ganancia, corta longitud y potencia escalable". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 39 (11): 1452–1461. Código bibliográfico : 2003IJQE ... 39.1452K . CiteSeerX 10.1.1.196.6031 . doi : 10.1109 / JQE.2003.818311 . 
  7. ↑ Kouznetsov, D .; Moloney, JV (2003). "Eficiencia de la absorción de la bomba en amplificadores de fibra de doble revestimiento. 2: Simetría circular rota". JOSA B . 39 (6): 1259-1263. Código bibliográfico : 2002JOSAB..19.1259K . doi : 10.1364 / JOSAB.19.001259 .
  8. ^ 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 bomba". Tecnología de fibra óptica . 7 (4): 324–339. Código Bibliográfico : 2001OptFT ... 7..324L . doi : 10.1006 / ofte.2001.0361 .
  9. ^ A. Liu; K. Ueda (1996). "Las características de absorción de las fibras de doble revestimiento circulares, offset y rectangulares". Comunicaciones ópticas . 132 (5–6): 511–518. Código bibliográfico : 1996OptCo.132..511A . doi : 10.1016 / 0030-4018 (96) 00368-9 .
  10. ^ K. Ueda; A. Liu (1998). "Futuro de los láseres de fibra de alta potencia" . Física láser . 8 : 774–781.
  11. ^ K. Ueda (1999). Física de escalado de láseres de fibra de tipo disco para salida de kW . Sociedad de Láseres y Electroóptica . 2 . págs. 788–789. doi : 10.1109 / leos.1999.811970 . ISBN 978-0-7803-5634-4.
  12. ^ Ueda; Sekiguchi H .; Matsuoka Y .; Miyajima H .; H. Kan (1999). Diseño conceptual de láseres de tubo y disco con fibra incorporada de clase kW . Sociedad de Láseres y Electro-Óptica 1999 12ª Reunión Anual. LEOS '99. IEEE . 2 . págs. 217–218. doi : 10.1109 / CLEOPR.1999.811381 . ISBN 978-0-7803-5661-0.
  13. ^ Hamamatsu KK (2006). "Explicación del láser de disco de fibra" . Nature Photonics . muestra: 14-15. doi : 10.1038 / nphoton.2006.6 .
  14. ^ 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. Código bibliográfico : 2002OExpr..10.1167S . doi : 10.1364 / oe.10.001167 . PMID 19451976 . 
  15. ^ D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; A. Shirakawa; K. Ueda (2005). "Límites de la adición coherente de láseres: estimación simple" . Revisión óptica . 12 (6): 445–447. Código bibliográfico : 2005OptRv..12..445K . doi : 10.1007 / s10043-005-0445-8 . Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2007 . Consultado el 18 de marzo de 2007 .
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