Potenza media 400 W Q

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16918 (2022) Citare questo articolo

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Riportiamo la produzione di una potenza media fino a 403 W direttamente da un laser a disco sottile (TDL) Yb:YAG acusto-ottico Q-switched. Per ottenere questa potenza, è stato dimostrato teoricamente e sperimentalmente che il confine della stabilità del laser potrebbe essere spostato verso velocità di ripetizione più elevate ingegnerizzando la trasmittanza dell'accoppiatore di uscita. Ciò consente un funzionamento stabile del laser a frequenze più elevate e un ulteriore aumento dell'estrazione di potenza dal mezzo attivo. Utilizzando un accoppiatore di uscita con una riflettività del 93%, è stata registrata una potenza media massima di 403 W alla frequenza di ripetizione di 12,0 kHz con una potenza della pompa di 1220 W. Inoltre, l'energia di impulso massima di 57 mJ è stata prodotta alla frequenza di ripetizione di 1,00 kHz e la potenza della pompa di 520 W. Sono state studiate le caratteristiche del laser a diverse velocità di commutazione Q e le potenze della pompa. Inoltre, qui è stato proposto uno studio numerico a supporto dei risultati sperimentali. Per quanto ne sappiamo, la potenza media raggiunta e l'energia dell'impulso sono i valori più alti finora riportati da un Yb:YAG TDL Q-switched. I risultati aprono la strada a un ulteriore ridimensionamento della potenza degli oscillatori Q-switched a stato solido.

I laser a disco sottile (TDL) sono una classe di sorgenti laser a costo relativamente basso e di potenza media elevata1. Le specifiche uniche di questi laser in termini di potenza e qualità del raggio li hanno resi molto interessanti per la produzione di sistemi laser sia CW che pulsati2. Il raggiungimento di una promettente efficienza ottica dell’80% li rende più favorevoli per le applicazioni industriali3. Sono stati segnalati TDL di potenza media elevata con durata dell'impulso da µs a ns4,5, impulsi ultraveloci6,7 e TDL verdi di potenza media elevata8. Sono stati commercializzati dispositivi TDL con potenze medie superiori a 10 kW in modalità CW e diverse centinaia di watt in modalità pulsata9.

Nel funzionamento ad alta potenza, Q-switching, cavità dumping e configurazione oscillatore-amplificatore sono i tre principali metodi di generazione degli impulsi nella regione µs o ns10. Nonostante gli sforzi iniziali per utilizzare questi metodi11,12,13, nei TDL, il cavità-dumping è stato comunemente utilizzato per la generazione di impulsi in questa regione, con potenze medie fino a diverse centinaia di Watt5,14,15,16. Tuttavia, presenta alcuni importanti inconvenienti, tra cui il pilotaggio ad alta tensione, il costo relativamente elevato degli elementi di dumping e l'ampio spettro17. D'altra parte, il Q-switching è un modo comune per generare laser a stato solido pulsati utilizzando modulatori acusto-ottici (AO) o elettro-ottici (EO). Rispetto alla commutazione Q EO e al dumping in cavità, la commutazione Q AO è interessante perché non richiede alta tensione ed elementi polarizzanti nel risonatore, quindi è meno complicata e più economica10.

La potenza media dei laser pulsati è molto importante nelle applicazioni industriali poiché determina direttamente la velocità di lavorazione18,19. Negli oscillatori ad asta, la potenza media massima è limitata dal limite di frattura del mezzo attivo20,21. Nel frattempo, gli effetti termici distruggono la qualità del raggio laser, quindi per ottenere potenze medie più elevate sono necessari diversi stadi di amplificazione22,23. In alternativa, gli effetti non lineari e il danno alla fibra sono i principali fattori che mettono in discussione il ridimensionamento della potenza dei laser a fibra pulsata24,25. Tuttavia, grazie alla geometria del mezzo attivo, i TDL sono meno influenzati dai fattori restrittivi sopra menzionati e si realizza un aumento graduale della potenza media a densità di potenza della pompa costante1.

Notevolmente, nei TDL Q-switched, due fattori principali limitano l’aumento della potenza media di uscita26. Entrambi questi fattori derivano dal basso coefficiente di guadagno del mezzo attivo. La riflettività dell'accoppiatore di uscita (OC) è tipicamente vicina a uno, quindi l'energia interna della cavità è sufficientemente elevata da danneggiare il disco anche per impulsi di uscita dell'ordine di centinaia di mJ. Pertanto, la frequenza di ripetizione del laser dovrebbe essere aumentata per aumentare la potenza media. Tuttavia, ciò potrebbe portare a forti fluttuazioni dell'energia degli impulsi in uscita e alla comparsa di instabilità degli impulsi13,27. Questa instabilità ha origine dalla dinamica dei laser Q-switched ed è tuttora oggetto di studi sperimentali e teorici, anche in altri tipi di laser26,28,29. Sebbene l'instabilità dell'impulso sia una proprietà intrinseca dei laser Q-switched, si prevede che appaia più pronunciata nei TDL a causa del loro basso fattore di guadagno28. Potrebbero essere implementate tecnologie di controllo del feedback attivo per stabilizzare l'uscita del laser in questa regione, ma aggiungerebbero ulteriori complessità al laser e ne limiterebbero la flessibilità16,30.