Un láser de estado sólido bombeado por diodos ( DPSSL ) es un láser de estado sólido fabricado bombeando un medio de ganancia sólido , por ejemplo, un rubí o un cristal YAG dopado con neodimio , con un diodo láser .
Los DPSSL tienen ventajas en cuanto a compacidad y eficiencia sobre otros tipos, y los DPSSL de alta potencia han reemplazado a los láseres de iones y a los láseres bombeados por lámparas de destello en muchas aplicaciones científicas, y ahora aparecen comúnmente en punteros láser verdes y de otros colores .
La longitud de onda de los diodos láser se ajusta mediante la temperatura para producir un compromiso óptimo entre el coeficiente de absorción en el cristal y la eficiencia energética (la menor energía de fotón de bombeo posible). Como la lente térmica limita el desperdicio de energía, esto significa densidades de potencia más altas en comparación con las lámparas de descarga de alta intensidad .
Los láseres de alta potencia utilizan un solo cristal, pero muchos diodos láser están dispuestos en tiras (múltiples diodos uno al lado del otro en un sustrato) o pilas (pilas de sustratos). Esta rejilla de diodos puede reflejarse en el cristal mediante una lente . Se logra un mayor brillo (que conduce a un mejor perfil del haz y una vida útil más larga de los diodos) eliminando ópticamente las áreas oscuras entre los diodos, que son necesarias para enfriar y entregar la corriente. Esto se hace en dos pasos:
Los haces de múltiples diodos también se pueden combinar acoplando cada diodo en una fibra óptica , que se coloca precisamente sobre el diodo (pero detrás de la microlente). En el otro extremo del haz de fibras, las fibras se fusionan para formar un perfil redondo, uniforme y sin espacios en el cristal. Esto también permite el uso de una fuente de alimentación remota.
Los diodos láser de alta potencia se fabrican como barras con múltiples diodos láser de una sola tira uno al lado del otro.
Cada diodo de tira individual suele tener un volumen activo de:
y dependiendo de la técnica de enfriamiento para toda la barra (100 a 200) µm de distancia hasta el siguiente diodo láser.
La cara final del diodo a lo largo del eje rápido se puede representar en una tira de 1 µm de altura. Pero la cara final a lo largo del eje lento se puede visualizar en un área menor que 100 µm. Esto se debe a la pequeña divergencia (de ahí el nombre: 'eje lento') que viene dada por la relación entre la profundidad y el ancho. Usando los números anteriores, se podría visualizar el eje rápido en un punto de 5 µm de ancho.
Entonces, para obtener un haz con la misma divergencia en ambos ejes, las caras extremas de una barra compuesta por 5 diodos láser se pueden representar mediante 4 lentes cilíndricas (acilíndricas) en un plano de imagen con 5 puntos cada uno con un tamaño de 5 mm x 1 mm. Este gran tamaño es necesario para haces de baja divergencia. La baja divergencia permite la óptica paraxial, que es más barata y que se utiliza no sólo para generar un punto, sino también una cintura de haz larga dentro del cristal láser (longitud = 50 mm), que debe bombearse a través de sus caras extremas.
También en el caso paraxial es mucho más fácil utilizar espejos de oro o cobre o prismas de vidrio para apilar los puntos uno encima del otro y obtener un perfil de haz de 5 x 5 mm. Un segundo par de lentes (esféricas) reproducen este perfil de haz cuadrado dentro del cristal láser.
En conclusión, un volumen activo de 0,001 mm³ en el diodo láser es capaz de saturar 1250 mm³ en un cristal de Nd:YVO 4 .
El DPSSL más común en uso es el puntero láser verde de longitud de onda de 532 nm . Un potente diodo láser infrarrojo GaAlAs de longitud de onda de 808 nm (>200 mW ) 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:YVO 4 ) que produce luz de longitud de onda de 1064 nm desde la fuente principal. Transición espectral del ion neodimio . Luego, la frecuencia de esta luz se duplica mediante un proceso óptico no lineal en un cristal KTP , produciendo una luz de 532 nm. Los DPSSL verdes suelen tener una eficiencia de alrededor del 20%, aunque algunos láseres pueden alcanzar hasta un 35% de eficiencia. En otras palabras, se esperaría que un DPSSL verde que utiliza un diodo de bomba de 2,5 W produzca 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, una DPSSL verde puede tener teóricamente una eficiencia global del 48%.
En el ámbito de potencias de salida muy altas, el cristal KTP se vuelve susceptible a daños ópticos. Por lo tanto, los DPSSL de alta potencia generalmente tienen un diámetro de haz mayor, ya que el láser de 1064 nm se expande antes de llegar al cristal KTP, lo que reduce la irradiancia de la luz infrarroja. Para mantener un diámetro de haz más bajo, se utiliza en su lugar 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 Nd:YAG en luz de 946 nm (seleccionando esta línea espectral no principal de neodimio en los mismos cristales dopados con Nd), que luego es la frecuencia. -duplicado a 473 nm mediante un cristal de borato de bario beta (BBO) o un cristal LBO. Debido a la menor ganancia de los materiales, los láseres azules son relativamente débiles y solo tienen una eficiencia de entre un 3 y un 5%. A finales de la década de 2000, se descubrió que los cristales de triborato de bismuto (BiBO) eran más eficientes que BBO o LBO para la generación de segundos armónicos en láseres de modo bloqueado y no tenían la desventaja de ser higroscópicos , [3] lo que degrada el cristal si está expuesto a la humedad. Sin embargo, en aplicaciones de láser de onda continua, BiBO puede presentar inestabilidades que degradan su rendimiento. [4]
Los DPSSL amarillos utilizan un proceso aún más complicado: se utiliza un diodo de bomba de 808 nm para generar luz de 1.064 nm y 1.342 nm, que se suman en paralelo para formar 593,5 nm. Debido a su complejidad, la mayoría de los DPSSL amarillos tienen solo alrededor del 1% de eficiencia y, por lo general, son más caros por unidad de potencia.
Otro método consiste en generar luz de 1.064 y 1.319 nm, que se suman a 589 nm. [5] Este proceso es más eficiente, ya que aproximadamente el 3% de la potencia del diodo de la bomba se convierte en luz amarilla. [6]
Los DPSSL 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 calidad de haz más alta 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 sólo pueden alcanzar unos pocos cientos de milivatios a menos que funcionen en modo transversal múltiple. Estos láseres multimodo tienen un diámetro de haz mayor y una divergencia mayor, lo que a menudo los hace menos deseables. De hecho, el funcionamiento monomodo es fundamental en algunas aplicaciones, como las unidades ópticas . [7]
Por otro lado, los láseres de diodo son más baratos y más eficientes energéticamente. Como los cristales DPSSL no son 100% eficientes, se pierde algo de energía cuando se convierte la frecuencia. Los DPSSL también son más sensibles a la temperatura y solo pueden funcionar de manera óptima dentro de un rango pequeño. De lo contrario, el láser sufriría problemas de estabilidad, como saltos entre modos y grandes fluctuaciones en la potencia de salida. Los DPSSL también requieren una construcción más compleja.
Los láseres de diodo también se pueden modular con precisión con una frecuencia mayor que los DPSSL.
Los láseres de estado sólido dopados con neodimio siguen siendo la fuente láser preferida para aplicaciones industriales. El bombeo directo del nivel superior del láser Nd a 885 nm (en lugar de la banda ancha más tradicional de 808 nm) ofrece el potencial de mejorar el rendimiento a través de una reducción en el defecto cuántico del láser, mejorando así la eficiencia del sistema, reduciendo los requisitos de enfriamiento y permitiendo una mayor ampliación de potencia del 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 diodos bloqueados en longitud de onda, que sirven para estrechar y estabilizar el espectro de emisión de la bomba 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 de volumen alineada externamente, VHG, no se han implementado ampliamente debido al mayor costo y la supuesta penalización de rendimiento de la tecnología. Sin embargo, los avances recientes en la fabricación de fuentes de bombeo de diodos estabilizados que utilizan bloqueo de longitud de onda externa ahora ofrecen propiedades espectrales mejoradas con poco o ningún impacto en la potencia y la eficiencia. [8] Los beneficios de este enfoque incluyen mejoras en la eficiencia del láser, el ancho de línea espectral y la eficiencia del bombeo.