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Oct 18, 2023

400 W potência média Q

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16918 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Relatamos a produção de até 403 W de potência média diretamente de um laser de disco fino (TDL) Yb:YAG acusto-opticamente Q-switched. Para atingir esse poder, foi demonstrado teórica e experimentalmente que a fronteira de estabilidade do laser pode ser deslocada para taxas de repetição mais altas pela engenharia da transmitância do acoplador de saída. Isso permite uma operação estável do laser em frequências mais altas e um aumento adicional na extração de energia do meio ativo. Usando um acoplador de saída com refletividade de 93%, uma potência média máxima de 403 W na taxa de repetição de 12,0 kHz foi registrada sob a potência da bomba de 1220 W. Além disso, a energia de pulso máxima de 57 mJ foi produzida na taxa de repetição de 1,00 kHz e a potência da bomba de 520 W. As características do laser em várias taxas de comutação Q e as potências da bomba foram investigadas. Além disso, um estudo numérico para apoiar os resultados experimentais foi proposto aqui. Até onde sabemos, a potência média alcançada e a energia do pulso são os valores mais altos relatados até o momento de um Q-switched Yb:YAG TDL. Os resultados abrem caminho para uma maior escala de potência de osciladores Q-switched de estado sólido.

Thin-disk-lasers (TDLs) são uma classe de fontes de laser de potência média alta e custo relativamente baixo1. As especificações exclusivas desses lasers em potência e qualidade de feixe os tornaram muito atraentes para a produção de sistemas de laser CW e pulsado2. Alcançar uma eficiência óptica promissora de 80% os torna mais favoráveis ​​para aplicações industriais3. Os TDLs de alta potência média com duração de pulso de µs a ns4,5, pulsos ultrarrápidos6,7 e TDLs verdes de alta potência média8 foram relatados. Dispositivos TDL com potências médias de mais de 10 kW no modo CW e várias centenas de watts na operação pulsada foram comercializados9.

Na operação de alta potência, Q-switching, despejo de cavidade e configuração do amplificador-oscilador são os três principais métodos de geração de pulso na região de µs ou ns10. Apesar dos esforços iniciais para utilizar esses métodos11,12,13, nos TDLs, o despejo de cavidades tem sido comumente usado para geração de pulsos nessa região, com potências médias de até várias centenas de Watts5,14,15,16. No entanto, tem algumas desvantagens importantes, incluindo acionamento de alta tensão, custo relativamente alto dos elementos de despejo e amplo espectro17. Por outro lado, Q-switching é uma maneira comum de gerar lasers de estado sólido pulsados ​​usando moduladores Acusto-Optical (AO) ou Electro-Optical (EO). Comparado ao EO Q-switching e cavidade-dumping, o AO Q-switching é atraente porque não precisa de alta tensão e elementos de polarização no ressonador, por isso é menos complicado e mais econômico10.

A potência média dos lasers pulsados ​​é muito importante em aplicações industriais, pois determina diretamente a velocidade de processamento18,19. Nos osciladores de haste, a potência média máxima é restrita pelo limite de fratura do meio ativo20,21. Enquanto isso, os efeitos térmicos destroem a qualidade do feixe de laser, portanto, alcançar potências médias mais altas requer vários estágios de amplificação22,23. Alternativamente, efeitos não lineares e danos nas fibras são os principais fatores que desafiam o escalonamento de potência dos lasers de fibra pulsada24,25. No entanto, devido à geometria do meio ativo, os TDLs são menos influenciados pelos fatores de restrição mencionados acima, e o aumento da potência média na densidade de potência da bomba constante é realizado1.

Notavelmente, em TDLs Q-switched, dois fatores principais restringem o aumento da potência média de saída26. Ambos os fatores se originam do baixo coeficiente de ganho do meio ativo. A refletividade do acoplador de saída (OC) normalmente é próxima a um, então a energia interna da cavidade é alta o suficiente para danificar o disco mesmo para pulsos de saída da ordem de cem mJ. Portanto, a taxa de repetição do laser deve ser aumentada para aumentar a potência média. No entanto, isso pode levar a uma forte flutuação da energia do pulso de saída e ao aparecimento de instabilidades de pulso13,27. Essa instabilidade tem origem na dinâmica dos lasers Q-switched e ainda é objeto de estudos experimentais e teóricos, inclusive em outros tipos de lasers26,28,29. Embora a instabilidade do pulso seja uma propriedade intrínseca dos lasers Q-switched, espera-se que ela apareça mais acentuadamente nos TDLs devido ao seu baixo fator de ganho28. Tecnologias de controle de feedback ativo podem ser implementadas para estabilizar a saída do laser nessa região, mas adicionam mais complexidade ao laser e limitam sua flexibilidade16,30.