La escalabilidad de potencia de un láser consiste en aumentar 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 el diseño de un láser. Esto significa que se puede aumentar la potencia sin cambiar las características externas.
Por lo general, el escalado de potencia requiere una fuente de bombeo más potente , una refrigeración más fuerte y un aumento del tamaño. También puede requerir la reducción de la pérdida de fondo en el resonador láser y, en particular, en el medio de ganancia .
La forma más popular [ cita requerida ] de lograr escalabilidad de potencia es el enfoque "MOPA" (Master Oscillator Power Amplifier). El oscilador maestro produce un haz altamente coherente y se utiliza un amplificador óptico para aumentar la potencia del haz mientras se preservan sus propiedades principales. El oscilador maestro no necesita ser potente ni funcionar 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 .
Un tipo de láser de estado sólido diseñado para una buena escalabilidad de potencia es el láser de disco (o "espejo activo" [1] ). Se cree que estos láseres son escalables a una potencia de varios kilovatios a partir de un único elemento activo en funcionamiento de onda continua . [2]
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 . [3] Para el escalamiento de potencia futuro, se requiere la reducción de la pérdida de ida y vuelta y/o la combinación de varios elementos activos.
Los láseres de fibra son otro tipo de láser de estado sólido con un buen escalamiento de potencia. El escalamiento de potencia de los láseres de fibra está limitado 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 extender el límite del escalamiento de potencia. [4] [5] [6] [7]
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. [8] [9] [10] [11] La bomba en un láser de este tipo se entrega 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.
El escalamiento de potencia está limitado 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 del calor de un dispositivo compacto, el medio activo debe ser una placa estrecha; para dar ventaja a la amplificación de la luz en la dirección deseada sobre el ASE , la energía y la carga 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 se pueden retirar en direcciones opuestas, lo que permite elementos activos de amplia apertura. En este caso, se utiliza la combinación de varios elementos activos para el escalamiento de potencia.
La escalabilidad también se puede lograr combinando haces láser separados. Normalmente, no es posible combinar haces completamente independientes para producir un haz con una radiancia mayor que la que tiene cada haz 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 adición coherente ) de láseres, solo los pocos modos comunes a todos los láseres combinados pueden estar por encima del umbral láser . Se ha informado de una combinación pasiva eficiente 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 salida de cada láser y un ajuste rápido para mantenerlos todos en fase. Este ajuste se puede realizar 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.
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