Un láser de disco o espejo activo (Fig. 1) es un tipo de láser de estado sólido bombeado por diodos que se caracteriza por un disipador de calor y una salida láser que se realizan en lados opuestos de una capa delgada de medio de ganancia activa . [1] A pesar de su nombre, los láseres de disco no tienen por qué ser circulares; también se han probado otras formas. El espesor del disco es considerablemente menor que el diámetro del haz láser. Inicialmente, esta configuración de cavidad láser se había propuesto [2] y se había realizado experimentalmente para láseres semiconductores de láminas delgadas. [3]
Los conceptos de láser de disco permiten potencias promedio y pico muy altas [4] debido a su gran área, lo que genera densidades de potencia moderadas en el material activo.
Inicialmente, los láseres de disco se denominaban espejos activos , porque el medio de ganancia de un láser de disco es esencialmente un espejo óptico con un coeficiente de reflexión mayor que la unidad. Un espejo activo es un amplificador óptico de doble paso delgado en forma de disco .
Los primeros espejos activos se desarrollaron en el Laboratorio de Energía Láser (Estados Unidos). [6] El láser Nd:YAG de disco bombeado por extremo de diodo escalable se había propuesto en [7] en la configuración de espejo activo de Talbot. [8]
Posteriormente, el concepto fue desarrollado en varios grupos de investigación, en particular, en la Universidad de Stuttgart (Alemania) [9] para vidrios dopados con Yb.
En el láser de disco , el disipador de calor no tiene por qué ser transparente, por lo que puede ser extremadamente eficiente incluso con un gran tamaño transversal del dispositivo (Fig. 1). El aumento de tamaño permite escalar la potencia a muchos kilovatios sin una modificación significativa del diseño. [10]
La potencia de estos láseres está limitada no solo por la potencia de bombeo disponible, sino también por el sobrecalentamiento, la emisión espontánea amplificada (ASE) y la pérdida de ida y vuelta de fondo . [11] Para evitar el sobrecalentamiento, el tamaño debe aumentarse con el escalado de potencia. Luego, para evitar fuertes pérdidas debido al crecimiento exponencial de la ASE , la ganancia de viaje transversal no puede ser grande. Esto requiere la reducción de la ganancia ; esta ganancia está determinada por la reflectividad del acoplador de salida y el espesor . La ganancia de viaje de ida y vuelta debe seguir siendo mayor que la pérdida de viaje de ida y vuelta (la diferencia determina la energía óptica, que se emite desde la cavidad del láser en cada viaje de ida y vuelta). La reducción de la ganancia , en una pérdida de viaje de ida y vuelta dada , requiere aumentar el espesor . Luego, en algún tamaño crítico, el disco se vuelve demasiado grueso y no se puede bombear por encima del umbral sin sobrecalentarse.
Algunas características de la escala de potencia se pueden revelar a partir de un modelo simple. Sea la intensidad de saturación , [11] [12] del medio, sea la relación de frecuencias, sea el parámetro de carga térmica . El parámetro clave determina la potencia máxima del láser de disco. El espesor óptimo correspondiente se puede estimar con . El tamaño óptimo correspondiente . Aproximadamente, la pérdida de ida y vuelta debería escalar de manera inversamente proporcional a la raíz cúbica de la potencia requerida.
Un problema adicional es la entrega eficiente de energía de bombeo. En baja ganancia de ida y vuelta, la absorción de un solo paso de la bomba también es baja. Por lo tanto, se requiere reciclar la energía de la bomba para un funcionamiento eficiente. (Véase el espejo adicional M en el lado izquierdo de la figura 2.) Para el escalamiento de potencia , el medio debe ser ópticamente delgado , con muchos pases de energía de bombeo requeridos; la entrega lateral de energía de bombeo [12] también podría ser una posible solución.
Los láseres de estado sólido bombeados por diodos de disco delgado se pueden escalar mediante bloqueo de modo transversal en cavidades de Talbot. [8] La característica notable del escalamiento de Talbot es que el número de Fresnel del conjunto de láseres de elementos bloqueado en fase por autoimagen se da por: [7]
La limitación en el número de emisores bloqueados en fase se debe a distorsiones de fase distribuidas aleatoriamente en un espejo activo del orden . [13]
Para reducir el impacto de la ASE, se ha sugerido una tapa anti-ASE que consiste en material no dopado en la superficie de un láser de disco. [15] [16] Una tapa de este tipo permite que los fotones emitidos espontáneamente escapen de la capa activa y evita que resuenen en la cavidad. Los rayos no pueden rebotar (Figura 3) como en un disco descubierto. Esto podría permitir un aumento de un orden de magnitud en la potencia máxima alcanzable por un láser de disco. [14] En ambos casos, se debe suprimir la reflexión posterior de la ASE desde los bordes del disco. Esto se puede hacer con capas absorbentes, que se muestran en verde en la Figura 4. En el funcionamiento cercano a la potencia máxima, una parte significativa de la energía va a la ASE; por lo tanto, las capas absorbentes también deben estar provistas de disipadores de calor, que no se muestran en la figura.
La estimación de la potencia máxima alcanzable con una pérdida dada , es muy sensible a . La estimación del límite superior de , en el que se puede alcanzar la potencia de salida deseada, es robusta. Esta estimación se representa gráficamente frente a la potencia normalizada en la figura 5. Aquí, es la potencia de salida del láser, y es la escala dimensional de la potencia; está relacionada con el parámetro clave . La línea discontinua gruesa representa la estimación para el disco descubierto. La línea sólida gruesa muestra lo mismo para el disco con tapa no dopada. La línea sólida delgada representa la estimación cualitativa sin coeficientes. Los círculos corresponden a los datos experimentales para la potencia alcanzada y las estimaciones correspondientes para la pérdida de fondo . Se espera que todos los experimentos futuros, simulaciones numéricas y estimaciones den valores de , que estén por debajo de la línea discontinua roja en la figura 5 para los discos descubiertos, y por debajo de la curva azul para los discos con tapa anti-ASE. Esto se puede interpretar como una ley de escala para láseres de disco . [17]
En las proximidades de las curvas mencionadas, la eficiencia del láser de disco es baja; la mayor parte de la potencia de bombeo va al ASE y se absorbe en los bordes del dispositivo. En estos casos, la distribución de la energía de bombeo disponible entre varios discos puede mejorar significativamente el rendimiento de los láseres. De hecho, algunos láseres han informado de que utilizan varios elementos combinados en la misma cavidad.
Leyes de escala similares tienen lugar para el funcionamiento pulsado. En el régimen de onda cuasi continua, la potencia media máxima se puede estimar escalando la intensidad de saturación con el factor de llenado del bombeo y el producto de la duración del bombeo por la tasa de repetición. En pulsos de corta duración, se requiere un análisis más detallado. [18] En valores moderados de la tasa de repetición (por ejemplo, superiores a 1 Hz), la energía máxima de los pulsos de salida es aproximadamente inversamente proporcional al cubo de la pérdida de fondo ; la tapa no dopada puede proporcionar un orden de magnitud adicional de potencia de salida media, bajo la condición de que esta tapa no contribuya a la pérdida de fondo. En una tasa de repetición baja (y en el régimen de pulsos individuales) y una potencia de bombeo suficiente, no hay un límite general de energía, pero el tamaño requerido del dispositivo crece rápidamente con el aumento de la energía de pulso requerida, estableciendo el límite práctico de energía; Se estima que se pueden extraer desde unos pocos julios hasta unos pocos miles de julios en un pulso óptico de un solo elemento activo, dependiendo del nivel de pérdida interna de fondo de la señal en el disco. [19]
