Un láser de estado sólido bombeado por diodo ( 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 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 equilibrio óptimo entre el coeficiente de absorción en el cristal y la eficiencia energética (la energía de los fotones de bombeo más baja posible). Como la energía residual está limitada por la lente térmica, 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 (varios diodos uno al lado del otro en un sustrato) o pilas (pilas de sustratos). Esta rejilla de diodos se puede proyectar sobre el cristal mediante una lente . Se logra un mayor brillo (que conduce a un mejor perfil del haz y a una mayor vida útil de los diodos) eliminando ópticamente las áreas oscuras entre los diodos, que son necesarias para enfriar y suministrar la corriente. Esto se hace en dos pasos:
Los haces de varios diodos también se pueden combinar acoplando cada diodo a una fibra óptica , que se coloca con precisión 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 tira única uno al lado del otro.
Cada diodo de tira individual normalmente tiene 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 representar en un área más pequeña que 100 μm. Esto se debe a la pequeña divergencia (de ahí el nombre: "eje lento") que se da por la relación entre la profundidad y el ancho. Usando los números anteriores, el eje rápido se puede representar en un punto de 5 μm de ancho.
Para obtener un haz con la misma divergencia en ambos ejes, se pueden proyectar las caras finales de una barra compuesta por 5 diodos láser mediante 4 lentes cilíndricas (acilíndricas) sobre un plano de imagen con 5 puntos cada uno de un tamaño de 5 mm x 1 mm. Este gran tamaño es necesario para haces con baja divergencia. La baja divergencia permite utilizar una óptica paraxial, que es más barata y se utiliza no solo para generar un punto, sino también una cintura de haz larga dentro del cristal láser (longitud = 50 mm), que se bombea a través de sus caras finales.
También en el caso paraxial es mucho más fácil utilizar espejos de oro o cobre o prismas de vidrio para apilar los puntos uno sobre otro y obtener un perfil de haz de 5 x 5 mm. Un segundo par de lentes (esféricas) forman la imagen de este perfil de haz cuadrado dentro del cristal láser.
Un volumen de 0,001 mm3 de volumen activo en el diodo láser es capaz de saturar 1250 mm3 en un cristal Nd: YVO4 .
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 a partir de la transición espectral principal del ion de neodimio . Luego, esta luz se duplica en frecuencia utilizando un proceso óptico no lineal en un cristal KTP , produciendo luz de 532 nm. Los DPSSL verdes suelen tener una eficiencia de alrededor del 20 %, aunque algunos láseres pueden alcanzar hasta el 35 %. En otras palabras, se esperaría que un DPSSL verde que use un diodo de bombeo de 2,5 W produzca alrededor de 500-900 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, un DPSSL verde puede tener teóricamente una eficiencia general 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 más grande, 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 láseres 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 se duplica en frecuencia 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 alrededor del 3-5%. A fines de la década de 2000, se descubrió que los cristales de triborato de bismuto (BiBO) eran más eficientes que los BBO o LBO para la generación de segundos armónicos en láseres bloqueados por modo y no tienen la desventaja de ser higroscópicos [3] , lo que degrada el cristal si se expone a la humedad. Sin embargo, en aplicaciones de láser de onda continua, los BiBO pueden presentar inestabilidades que degradan su rendimiento. [4]
Los DPSSL amarillos utilizan un proceso aún más complicado: se utiliza un diodo de bombeo de 808 nm para generar luz de 1064 nm y 1342 nm, que se suman en paralelo para generar 593,5 nm. Debido a su complejidad, la mayoría de los DPSSL amarillos tienen una eficiencia de solo un 1 % y, por lo general, son más caros por unidad de potencia.
Otro método es generar luz de 1.064 y 1.319 nm, que se suman para dar 589 nm. [5] Este proceso es más eficiente, ya que aproximadamente el 3 % de la potencia del diodo de bombeo se convierte en luz amarilla. [6]
Los láseres de estado sólido (DPSL) 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 láseres multimodo suelen tener una mayor calidad de haz 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 solo pueden alcanzar unos pocos cientos de milivatios a menos que funcionen en modo transversal múltiple. Estos láseres multimodo tienen un diámetro de haz más grande y una mayor divergencia, lo que a menudo los hace menos deseables. De hecho, el funcionamiento en modo único es esencial en algunas aplicaciones, como las unidades ópticas . [7]
Por otro lado, los láseres de diodo son más económicos y más eficientes energéticamente. Como los cristales DPSSL no son 100% eficientes, se pierde algo de potencia 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 de Nd a 885 nm (en lugar de la banda ancha más tradicional de 808 nm) ofrece la posibilidad de mejorar el rendimiento a través de una reducción del defecto cuántico de emisión láser, mejorando así la eficiencia del sistema, reduciendo los requisitos de refrigeración y permitiendo un mayor escalamiento de la potencia 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 bloqueadas por longitud de onda, que sirven para reducir y estabilizar el espectro de emisión de bombeo 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 alineadas externamente, VHG, no se han implementado ampliamente debido al aumento de los costos y la supuesta penalización del 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 externo 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 de bombeo.