لیزرهای دیسک نازک
تعریف: به لیزرهای حجمی حالت جامدی گفته میشود که در آن یک ماده فعّال لیزری به صورت دیسک نازک بعنوان محیط بهره است.
لیزر دیسک نازک ( که گاهی لیزر آینه فعّال نیز نامیده میشود) نوع خاصی از لیزر حالت جامد پرتوان با دمش دیودی است که دردهه ۱۹۹۰ توسط گروه آدولف گیسن در دانشگاه اشتوتگارت آلمان معرّفی شد [۲ و ۱۷]. مهمترین تفاوت این لیزر با لیزرهای متداول میلهای و یا تیغهای، هندسه محیط بهره است: بلور لیزر یک دیسک نازک است ( شکل۱) که ضخامت آن به طور قابل توجهی کوچکتر از قطر پرتو لیزر است. گرمای ایجاد شده به طور عمده از انتهای یک وجه خارج میشود؛ یعنی در راستای طولی نسبت به راستای عرضی بیشتر است. وجه انتهایی که خنک میشود دارای پوشش دیالکتریک بوده که هر دو تابش پرتو لیزر و دمش را بازتاب میکند.
دیسک نازک اغلب آینه فعّال نیز گفته میشود [۱]، زیرا مانند یک آینه با بهره لیزری عمل میکند. درون مشدد لیزر میتواند بعنوان آینه انتهایی و یا بعنوان یک آینه خمکننده پرتو عمل کند. در مورد دوّم، در هر رفت و برگشت در داخل مشدد پرتو لیزر دوبار از محیط فعّال عبور میکند و بنابراین بهره در هر رفت و برگشت دوبرابر بوده و توان دمش آستانه کاهش مییابد.
تعریف: به لیزرهای حجمی حالت جامدی گفته میشود که در آن یک ماده فعّال لیزری به صورت دیسک نازک بعنوان محیط بهره است.
لیزر دیسک نازک ( که گاهی لیزر آینه فعّال نیز نامیده میشود) نوع خاصی از لیزر حالت جامد پرتوان با دمش دیودی است که دردهه ۱۹۹۰ توسط گروه آدولف گیسن در دانشگاه اشتوتگارت آلمان معرّفی شد [۲ و ۱۷]. مهمترین تفاوت این لیزر با لیزرهای متداول میلهای و یا تیغهای، هندسه محیط بهره است: بلور لیزر یک دیسک نازک است ( شکل۱) که ضخامت آن به طور قابل توجهی کوچکتر از قطر پرتو لیزر است. گرمای ایجاد شده به طور عمده از انتهای یک وجه خارج میشود؛ یعنی در راستای طولی نسبت به راستای عرضی بیشتر است. وجه انتهایی که خنک میشود دارای پوشش دیالکتریک بوده که هر دو تابش پرتو لیزر و دمش را بازتاب میکند.
دیسک نازک اغلب آینه فعّال نیز گفته میشود [۱]، زیرا مانند یک آینه با بهره لیزری عمل میکند. درون مشدد لیزر میتواند بعنوان آینه انتهایی و یا بعنوان یک آینه خمکننده پرتو عمل کند. در مورد دوّم، در هر رفت و برگشت در داخل مشدد پرتو لیزر دوبار از محیط فعّال عبور میکند و بنابراین بهره در هر رفت و برگشت دوبرابر بوده و توان دمش آستانه کاهش مییابد.
شکل۱: طرحواره چیدمان هد لیزر دیسک نازک. اپتیک سیستم دمش (نشان داده نشده ) به صورت چندبار عبور طراحی شده است. گرما در راستای طولی استخراج میشود و بنابراین اثرات لنز حرارتی حداقل است.
لیزر دیسک نازک نباید با لیزر دیسک چرخان، که در آن محیط بهره یک دیسک چرخان با ضخامت چند میلیمتر است، اشتباه گرفته شود.
دمش چندعبوری
ضخامت کم دیسک منجر میشود جذب پرتو دمش، اندک و معمولاً در یک یا دوبار عبور ناکارآمد باشد. این مشکل با استفاده از سیستم دمش چند عبوری شامل المانهای اپتیکی مناسب مانند آینه شلجمی و بازتابش کنندههای منشوری جبران میشود. چنین چیدمانی به آسانی باعث عبور مثلاً ۸ یا ۱۶ باره پرتو دمش از درون دیسک میشود؛ بدون اینکه به کیفیّت پرتو خیلی عالی نیاز باشد. در مقایسه با لیزرهای فیبری، لیزرهای دیسک نازک به دیودهایی با درخشندگی کمتر برای دمش نیازدارند. اگرچه درخشندگی موردنیاز آنها باید از بعضی لیزرهای تیغهای بیشتر باشد.
منبع دمش لیزر دیسک نازک معمولاً توسط لیزردیودهای پرتوان که توسط فیبر و یا المانهای اپتیکی منتقل میشوند، است. طول موج دمش برای دیسک Yb:YAG ۹۴۰ نانومتر و برای Yb: tungstate نزدیک به ۹۸۱ نانومتر است.
مبحث کاهش گرما در توانهای خروجی بالا؛ توسعه توان
بدلیل ضخامت نازک دیسک (معمولاً ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون برای Yb:YAG)، افزایش دما در اثر توان اتلاف شده کم است. (البته چگالی گرمای ایجاد شده زیاد است ولی گرما به چاهک گرمایی[۱] منتقل میشود.) علاوه براین، گرادیان حرارتی عمدتاً در جهت عمود بر سطح دیسک بوده و لذا عدسی حرارتی و اتلاف عدمقطبش[۲] ضعیفی ایجاد میکند. بنابراین بدلیل اعوجاجات ضعیف حرارتی پرتو، کیفیت پرتو بالا است و عملکرد لیزر در بازه وسیعی از توانهای دمش امکانپذیر است.
یکی از ویژگیهای مهم لیزر دیسک، هندسه محیط فعّال است که منجر به افزایش چشمگیر توان میشود. به این صورت که مثلاً با دوبرابر کردن توان دمش و یا دوبرابر کردن سطح دیسک، درحالیکه ضخامت و میزان آلاییدگی دیسک ثابت نگه داشته شده است، توان خروجی دوبرابر میشود؛. با این مدل افزایش توان، قله شدّت و همچنین گرمای بیشینه در دیسک بدون تغییر باقی میمانند. ( علت ثابت ماندن گرمای بیشینه این است که سطح خنکساز نیز دوبرابر میشود) از آنجاکه عدسی حرارتی از وابستگی ضریب شکست به دما ناشی میشود، توان انکسار عدسی[۳] (معکوس فاصله کانونی) در عدسی حرارتی به نصف مقدار اصلیاش کاهش مییابد که این امر دوبرابر شدن حساسّیت بالاترین مد به تغییرات فاصله کانونی را جبران میکند؛ بنابراین توان افزایش مییابد بدون اینکه شدّت اپتیکی و یا مشکلات عدسی حرارتی زیاد شود. تأکید میشود که اثرات عدسی حرارتی ناشی از تنشهای مکانیکی، با افزایش توان افزایش مییابند که البته با کاهش ضخامت دیسک، تا حدّ زیادی قابل جبران است. محدودیت دیگر، ناشی از پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده (ASE) در جهت عرضی است که باعث کاهش بهره در راستای طولی میشود؛ هرچند این پدیده در سطوح بالای توان، حدود چند کیلووات از یک دیسک، اهمیت مییابند. استفاده از دیسک ترکیبی که در آن یک بخش آلاییده نشده در قسمت فوقانی بخش آلاییده دیسک قرار دارد، میتواند بطور چشمگیری از بروز پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده بکاهد؛ در لیزرهای پیوسته، پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده در مرتبه توانی ۱ مگاوات از تک دیسک رخ میدهد.
افزایش توان در لیزرهای دیسک نازک قفل مدی غیرفعّال[۴] نیز امکانپذیر است. (شکل ۳) در این حالت، دوبرابر کردن توان خروجی همراه با دوبرابر کردن مد بر روی سطح SESAM است؛ و بنابراین شدّت پرتو فاکتور محدودکنندهای نیست. محدودیتها اغلب از چالش فرآیند کاهش پاشندگی در سطوح بالای توان بروز میکنند.
دمش چندعبوری
ضخامت کم دیسک منجر میشود جذب پرتو دمش، اندک و معمولاً در یک یا دوبار عبور ناکارآمد باشد. این مشکل با استفاده از سیستم دمش چند عبوری شامل المانهای اپتیکی مناسب مانند آینه شلجمی و بازتابش کنندههای منشوری جبران میشود. چنین چیدمانی به آسانی باعث عبور مثلاً ۸ یا ۱۶ باره پرتو دمش از درون دیسک میشود؛ بدون اینکه به کیفیّت پرتو خیلی عالی نیاز باشد. در مقایسه با لیزرهای فیبری، لیزرهای دیسک نازک به دیودهایی با درخشندگی کمتر برای دمش نیازدارند. اگرچه درخشندگی موردنیاز آنها باید از بعضی لیزرهای تیغهای بیشتر باشد.
منبع دمش لیزر دیسک نازک معمولاً توسط لیزردیودهای پرتوان که توسط فیبر و یا المانهای اپتیکی منتقل میشوند، است. طول موج دمش برای دیسک Yb:YAG ۹۴۰ نانومتر و برای Yb: tungstate نزدیک به ۹۸۱ نانومتر است.
مبحث کاهش گرما در توانهای خروجی بالا؛ توسعه توان
بدلیل ضخامت نازک دیسک (معمولاً ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون برای Yb:YAG)، افزایش دما در اثر توان اتلاف شده کم است. (البته چگالی گرمای ایجاد شده زیاد است ولی گرما به چاهک گرمایی[۱] منتقل میشود.) علاوه براین، گرادیان حرارتی عمدتاً در جهت عمود بر سطح دیسک بوده و لذا عدسی حرارتی و اتلاف عدمقطبش[۲] ضعیفی ایجاد میکند. بنابراین بدلیل اعوجاجات ضعیف حرارتی پرتو، کیفیت پرتو بالا است و عملکرد لیزر در بازه وسیعی از توانهای دمش امکانپذیر است.
یکی از ویژگیهای مهم لیزر دیسک، هندسه محیط فعّال است که منجر به افزایش چشمگیر توان میشود. به این صورت که مثلاً با دوبرابر کردن توان دمش و یا دوبرابر کردن سطح دیسک، درحالیکه ضخامت و میزان آلاییدگی دیسک ثابت نگه داشته شده است، توان خروجی دوبرابر میشود؛. با این مدل افزایش توان، قله شدّت و همچنین گرمای بیشینه در دیسک بدون تغییر باقی میمانند. ( علت ثابت ماندن گرمای بیشینه این است که سطح خنکساز نیز دوبرابر میشود) از آنجاکه عدسی حرارتی از وابستگی ضریب شکست به دما ناشی میشود، توان انکسار عدسی[۳] (معکوس فاصله کانونی) در عدسی حرارتی به نصف مقدار اصلیاش کاهش مییابد که این امر دوبرابر شدن حساسّیت بالاترین مد به تغییرات فاصله کانونی را جبران میکند؛ بنابراین توان افزایش مییابد بدون اینکه شدّت اپتیکی و یا مشکلات عدسی حرارتی زیاد شود. تأکید میشود که اثرات عدسی حرارتی ناشی از تنشهای مکانیکی، با افزایش توان افزایش مییابند که البته با کاهش ضخامت دیسک، تا حدّ زیادی قابل جبران است. محدودیت دیگر، ناشی از پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده (ASE) در جهت عرضی است که باعث کاهش بهره در راستای طولی میشود؛ هرچند این پدیده در سطوح بالای توان، حدود چند کیلووات از یک دیسک، اهمیت مییابند. استفاده از دیسک ترکیبی که در آن یک بخش آلاییده نشده در قسمت فوقانی بخش آلاییده دیسک قرار دارد، میتواند بطور چشمگیری از بروز پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده بکاهد؛ در لیزرهای پیوسته، پدیده گسیل خودبخودی تقویتشده در مرتبه توانی ۱ مگاوات از تک دیسک رخ میدهد.
افزایش توان در لیزرهای دیسک نازک قفل مدی غیرفعّال[۴] نیز امکانپذیر است. (شکل ۳) در این حالت، دوبرابر کردن توان خروجی همراه با دوبرابر کردن مد بر روی سطح SESAM است؛ و بنابراین شدّت پرتو فاکتور محدودکنندهای نیست. محدودیتها اغلب از چالش فرآیند کاهش پاشندگی در سطوح بالای توان بروز میکنند.
شکل۳: تصویر چیدمان لیزر دیسک ۸کیلووات با استفاده از ۴دیسک نازک (در سمت چپ تصویر). تصویر از شرکت ترامف[۵]
تا کنون، از یک تک دیسک توان ۵۰۰ وات پیوسته با کیفیّت پرتو در حدّ پراش و حدود ۱ کیلووات از دو دیسک بدست آمده است. در عملکرد چند مدی، توان ۴ کیلووات از یک دیسک و به عبارتی ۱۶ کیلووات از چهار دیسک در یک مشدد امکانپذیر است. لیزرهای دیسک نازک چند مدی با توان ۱۶کیلووات به صورت تجاری موجود هستند و لیزرهای با توان مشابه و یا حتّی بیشتر با کیفیّت پرتو در حدّ پراش بنظر عملی هستند. در لیزرهای دیسک نازک قفل مدی، بیشتر از ۲۴۰ وات توان متوسط بدست آمده است [۳۶].
محیط بهره دیسک نازک
متداولترین محیط بهره در لیزرهای دیسک نازک، Yb:YAG است. Yb:YAG در مقایسه با Nd:YAG درارای طول موج گسیل کوتاهتر (۱۰۳۰ نانومتر)، نقصان کوانتومی کمتر ( بنابراین توان اتلافی کمتر)، طول عمر تراز لیزری بلندتر (قابلیت ذخیره انرژی بیشتر برای Q-سوئیچ) و پهنای باند بهره بزرگتر (مناسب برای پالسهای کوتاهتر با قفل مدی) است. از طرفی، Yb:YAG یک محیط بهره شبه سه ترازی است که میزان جذب بالایی در طول موج لیزری دارد و لذا به شدّت دمش بالایی نیاز است. اصول عملکرد لیزر دیسک کاملاً با این پارامترها سازگار است.
برای میزانسازی طول موجی پهن و برای تولید پالسهای فوق کوتاه، محیطهای بهره دیگری که با ایتربیم آلاییده شدهاند دارای پهنای باند بهره وسیعتری هستند. بعنوان مثال بلورهای tungstate (Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KluW) و Yb:LaSc3(BO3)4 (Yb:LSB) و Yb:CaGdAlO4 (Yb:CALGO) و Yb:YVO4. مواد جدید دیگری به طور خاص وجود دارند مانند Yb:Y2O3 و Yb:Lu2O3 [۱۹ و ۲۷] و Yb:Sc2O3 [۱۱] که دارای خواص ترمومکانیکی عالی بوده و قابلیت تولید توانهای بسیار بالا با بازدهی زیاد هستند. شیب بازدهی ۸۰% برای Yb:Lu2O3 [۱۹] گزارش شده است.
Nd:YAG و Nd:YVO4 نیز در لیزرهای دیسک نازک مورد استفاده قرار میگیرند؛ بخصوص اگر طول موج ۱۰۶۴ نانومتر مورد نیاز بوده و یا انرژی اشباع بسیار کم Nd:YVO4 مطلوب باشد.
به طور کلّی غلظت آلایش بالایی برای محیط بهره دیسک نازک موردنظر است. این امر منجر شده تا از دیسکی با ضخامت کمتر استفاده شده ( و همچنین اثرات گرمایی کاهش مییابد) و به چیدمانی برای عبورهای بسیار زیاد پرتو دمش نیاز نباشد. اغلب محیطهای بهره آلاییده با ایتربیم از این نظر مطلوب هستند. بعضی مواد، مخصوصاً شیشههای لیزری که جذب دمش کمی دارند، برای هندسه دیسک نازک مناسب نیستند.
سوزکنی فضایی[۶]
یکی از پدیدههای ناشی از ضخامت نازک دیسک، سوزکنی فضایی بوده که معمولاً غیرقابل اجتناب است؛ حتّی اگر لیزر دیسک نازک با مشدد حلقهای طراحی شود. (یادآوری میشود بدلیل نسبت کوچک ضخامت دیسک و شعاع پرتو، موجهای درخلاف جهت یکدیگر همواره در دیسک همپوشانی شدید داشته و طرح تداخلی حتّی در مشدد حلقهای ایجاد میشود) با این وجود، عملکرد تک فرکانسی که با استفاده از فیلتر طولموجی مناسب (اتالون) در مشدد امکانپذیر است، راه حل مناسبی است. برای عملکرد قفل مدی غیرفعّال ( که در ادامه آمده است) پدیده سوزکنی فضایی در دیسک نازک، شکل طیف بهره را مغشوش کرده باعث ایجاد ناپایداریهای مختلفی میشود؛ امّا همچنان امکان پالسهای بسیار کوتاهتر را در بازه بهینهای از پارامترها فراهم میکند [۵].
تولید پالس Q-سوئیچ شده
لیزرهای دیسک نازک برای تولید پالسهای پرانرژی با کیفیّت بالا که برای بعضی کاربردها مانند فرآوری مواد نیاز است، بسیار مناسب هستند. به عنوان نمونه، محیط بهره Yb:YAG که مورد استفاده قرار میگیرند در مقایسه با Nd:YAG قابلیت ذخیره انرژی بیشتری دارد. (بدلیل طول عمر بلندتر تراز بالای لیزری) با این وجود، بهره متوسط دیسک ( در مقایسه با لیزر میلهای با دمش انتهایی) یک عامل محدود کننده است که حصول پالسهای خیلی کوتاه (چند نانوثانیه) را توسط سازوکار Q سوئیچ عادی مشکل میسازد. ترکیب با سازروکار انباشت کاواک[۷] برای تولید پالسهای کوتاه ضروری است.
لیزرهای دیسک نازک پرتوان قفلمدی
لیزرهای دیسک نازک بخصوص برای تولید پالسهای فوق کوتاه پرتوان مورد توجه ویژه هستند. علاوه بر قابلیت توان بالا، چندین مزیت دیگر دارند:
محیط بهره دیسک نازک
متداولترین محیط بهره در لیزرهای دیسک نازک، Yb:YAG است. Yb:YAG در مقایسه با Nd:YAG درارای طول موج گسیل کوتاهتر (۱۰۳۰ نانومتر)، نقصان کوانتومی کمتر ( بنابراین توان اتلافی کمتر)، طول عمر تراز لیزری بلندتر (قابلیت ذخیره انرژی بیشتر برای Q-سوئیچ) و پهنای باند بهره بزرگتر (مناسب برای پالسهای کوتاهتر با قفل مدی) است. از طرفی، Yb:YAG یک محیط بهره شبه سه ترازی است که میزان جذب بالایی در طول موج لیزری دارد و لذا به شدّت دمش بالایی نیاز است. اصول عملکرد لیزر دیسک کاملاً با این پارامترها سازگار است.
برای میزانسازی طول موجی پهن و برای تولید پالسهای فوق کوتاه، محیطهای بهره دیگری که با ایتربیم آلاییده شدهاند دارای پهنای باند بهره وسیعتری هستند. بعنوان مثال بلورهای tungstate (Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KluW) و Yb:LaSc3(BO3)4 (Yb:LSB) و Yb:CaGdAlO4 (Yb:CALGO) و Yb:YVO4. مواد جدید دیگری به طور خاص وجود دارند مانند Yb:Y2O3 و Yb:Lu2O3 [۱۹ و ۲۷] و Yb:Sc2O3 [۱۱] که دارای خواص ترمومکانیکی عالی بوده و قابلیت تولید توانهای بسیار بالا با بازدهی زیاد هستند. شیب بازدهی ۸۰% برای Yb:Lu2O3 [۱۹] گزارش شده است.
Nd:YAG و Nd:YVO4 نیز در لیزرهای دیسک نازک مورد استفاده قرار میگیرند؛ بخصوص اگر طول موج ۱۰۶۴ نانومتر مورد نیاز بوده و یا انرژی اشباع بسیار کم Nd:YVO4 مطلوب باشد.
به طور کلّی غلظت آلایش بالایی برای محیط بهره دیسک نازک موردنظر است. این امر منجر شده تا از دیسکی با ضخامت کمتر استفاده شده ( و همچنین اثرات گرمایی کاهش مییابد) و به چیدمانی برای عبورهای بسیار زیاد پرتو دمش نیاز نباشد. اغلب محیطهای بهره آلاییده با ایتربیم از این نظر مطلوب هستند. بعضی مواد، مخصوصاً شیشههای لیزری که جذب دمش کمی دارند، برای هندسه دیسک نازک مناسب نیستند.
سوزکنی فضایی[۶]
یکی از پدیدههای ناشی از ضخامت نازک دیسک، سوزکنی فضایی بوده که معمولاً غیرقابل اجتناب است؛ حتّی اگر لیزر دیسک نازک با مشدد حلقهای طراحی شود. (یادآوری میشود بدلیل نسبت کوچک ضخامت دیسک و شعاع پرتو، موجهای درخلاف جهت یکدیگر همواره در دیسک همپوشانی شدید داشته و طرح تداخلی حتّی در مشدد حلقهای ایجاد میشود) با این وجود، عملکرد تک فرکانسی که با استفاده از فیلتر طولموجی مناسب (اتالون) در مشدد امکانپذیر است، راه حل مناسبی است. برای عملکرد قفل مدی غیرفعّال ( که در ادامه آمده است) پدیده سوزکنی فضایی در دیسک نازک، شکل طیف بهره را مغشوش کرده باعث ایجاد ناپایداریهای مختلفی میشود؛ امّا همچنان امکان پالسهای بسیار کوتاهتر را در بازه بهینهای از پارامترها فراهم میکند [۵].
تولید پالس Q-سوئیچ شده
لیزرهای دیسک نازک برای تولید پالسهای پرانرژی با کیفیّت بالا که برای بعضی کاربردها مانند فرآوری مواد نیاز است، بسیار مناسب هستند. به عنوان نمونه، محیط بهره Yb:YAG که مورد استفاده قرار میگیرند در مقایسه با Nd:YAG قابلیت ذخیره انرژی بیشتری دارد. (بدلیل طول عمر بلندتر تراز بالای لیزری) با این وجود، بهره متوسط دیسک ( در مقایسه با لیزر میلهای با دمش انتهایی) یک عامل محدود کننده است که حصول پالسهای خیلی کوتاه (چند نانوثانیه) را توسط سازوکار Q سوئیچ عادی مشکل میسازد. ترکیب با سازروکار انباشت کاواک[۷] برای تولید پالسهای کوتاه ضروری است.
لیزرهای دیسک نازک پرتوان قفلمدی
لیزرهای دیسک نازک بخصوص برای تولید پالسهای فوق کوتاه پرتوان مورد توجه ویژه هستند. علاوه بر قابلیت توان بالا، چندین مزیت دیگر دارند:
- قابلیت عملکرد با کیفیت پرتو درحدّ پراش (که یک پیشفرض برای عملکرد قفلمدی است)
- پهنای باند بهره وسیع Yb:YAG (مناسبترین محیط بهره برای لیزرهای دیسک نازک تا کنون)
- غیرخطی بودن ناچیز دیسک نازک؛ که مانع از بروز جابجایی فازی غیرخطی اضافی در قله‌های با شدت بالا میشود.
یکی از چالشهای اوّلیه در این زمینه، پیدا کردن سازوکار مناسب برای قفلمدی است. اگرچه در ابتدا این باور وجود داشت که قفلمدی غیرفعّال توسط آینههای جاذب اشباعپذیر نیمههادی (SESAMs) در توانهای خیلی بالا امکانپذیر نیست، حداقل بدون استفاده از SESAMs های پرتوان پیشرفته که بر مبنای مواد نیمههادی پیشرفته هستند، یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه ETH زوریخ در سال ۲۰۰۰ ادّعا کرد که اگر فقط پارامترهای طراحی کل ساختار لیزر ( و نه فقط SESAM) بدرستی انتخاب شوند، اثرات گرمایی و موارد غیرگرمایی به آسانی کنترل خواهند شد. به عبارت دیگر، آسیب دیدن SESAM، دیگر فاکتور محدودکنندهای برای افزایش توان در لیزرهای دیسک نازک قفلمدی نیست. در واقع این نتیجه بدست آمد که لیزر دیسک نازک اولین لیزر فمتوثانیه با قابلیت افزایش توان واقعی است. با این وجود، طراحی چنین لیزری نیاز به مهارت فراوان در زمینههای مختلف به عنوان مثال در مورد سوزکنی فضایی و جبران پاشندگی دارد و عملکرد سعی و خطا بدون زیرساخت علمی بسیاری از جزئیات، سرانجامی جز شکست درپی ندارد.
لیزرهای دیسک نازک به تولید بالاترین توانهای متوسط خروجی بیشتر از ۱۰۰ وات از یک لیزر قفلمدی قادر هستند [۲۹، ۳۴، ۳۶]. پالسهای با انرژی بیش از ۱۰میکروژول با عرض پالس کمتر از پیکوثانیه [۲۲، ۲۳، ۲۵] و پالسهای ۸۰ میکروژول با عرض پالس پیکوثانیه [۳۶] از این لیزرها بدست آمده است. درحالیکه پالسهایی باعرض ۷۰۰-۸۰۰ فمتوثانیه با Yb:YAG امکانپذیر شده است، پالسهایی به مراتب کوتاهتر از بلورهایtungstate آلاییده با ایتربیم ازقبیل Yb:KGW و یا Yb:KYW امکانپذیر است [۷]. البته با Yb:YAG پالسهایی با عرض ۲۰۰ فمتوثانیه به روش قفلمدی عدسی کر[۸] نیزگزارش شده است [۳۱ و۳۵].
تقویتکنندهها برای انرژی پالس بالا
هدهای لیزر دیسک نازک در تقویتکنندههای بازتولیدی[۹] نیز استفاده میشوند [۱۲]. بهره نسبتاً کوچک دیسک نازک با افزایش تعداد رفت و برگشت پرتو در مشدد قابل جبران است؛ اگرچه ممکن است وابستگی تقویتکننده به تلفات نوری و اثرات غیرخطی (مثلاً در سلول پاکلز) افزایش یابد. بنابراین بهتر است آرایش طراحی شود تا هر تابشی در یک رفت و برگشت داخل مشدد، چندین مرتبه از دیسک عبور کند. در نتیجه انرژیهای پالس قابلتوجهی بدون استفاده از سازوکار تقویت پالس چیرپ[۱۰] شده، قابل حصول است.
ساخت یک تقویتکننده منفرد( بدون مشدد و سوئیچ نوری) نیز امکانپذیر است؛ البته در این مورد، بهره کلی محدود است و به آرایش بهینهای برای حفظ کیفیت پرتو مطلوب، نیاز است.
تبدیل فرکانسی غیرخطی
لیزرهای سبز پیوسته پرتوان به سادگی با دوبرابر کردن فرکانس درون کاواکی لیزرهای دیسک نازک بدست میآیند. برای لیزرهای Q سوئیچ یا قفل مدی، دوبرابر شدن فرکانس در خارج از کاواک عملیتر است. لیزرهای دیسک نازک به عنوان منابع دمش برای نوسانگرهای پارامتری نوری[۱۱] ، تقویتکننده ها و مولدها، بسیار موردتوجه هستند [۶]. منبع RGB پرتوان برپایه لیزر دیسک نازک قفلمدی نیز گزارش شده است [۱۰]. توان بالای لیزرهای دیسک نازک قفلمدی منجر به تبدیل فرکانسی غیرخطی مؤثر با تطابق فازی بحرانی[۱۲] در بلورهای LBO شده که نیاز به گرمخانههای بلوری[۱۳] با پایداری گرمایی را مرتفع ساخته است.
بسط گستردهتر ایده دیسک نازک
دیسک نازک قابلیتهای بسیاری برای توسعه دارد. برای مثال در دمش از لبه دیسک، توان بالاتری حاصل میشود؛ در حالیکه به تجهیزات کمتری برای بهبود کیفیت پرتو دمش نیاز است. این دستاور در آزمایشگاه ملی لورنس لیومور[۱۴] در بلور لیزر ترکیبی بدست آمده است. یک دیسک YAG بدون آلاییدگی که به یک دیسک Yb:YAG متصل شده، دارای مزایای بسیاری است:
لیزرهای دیسک نازک به تولید بالاترین توانهای متوسط خروجی بیشتر از ۱۰۰ وات از یک لیزر قفلمدی قادر هستند [۲۹، ۳۴، ۳۶]. پالسهای با انرژی بیش از ۱۰میکروژول با عرض پالس کمتر از پیکوثانیه [۲۲، ۲۳، ۲۵] و پالسهای ۸۰ میکروژول با عرض پالس پیکوثانیه [۳۶] از این لیزرها بدست آمده است. درحالیکه پالسهایی باعرض ۷۰۰-۸۰۰ فمتوثانیه با Yb:YAG امکانپذیر شده است، پالسهایی به مراتب کوتاهتر از بلورهایtungstate آلاییده با ایتربیم ازقبیل Yb:KGW و یا Yb:KYW امکانپذیر است [۷]. البته با Yb:YAG پالسهایی با عرض ۲۰۰ فمتوثانیه به روش قفلمدی عدسی کر[۸] نیزگزارش شده است [۳۱ و۳۵].
تقویتکنندهها برای انرژی پالس بالا
هدهای لیزر دیسک نازک در تقویتکنندههای بازتولیدی[۹] نیز استفاده میشوند [۱۲]. بهره نسبتاً کوچک دیسک نازک با افزایش تعداد رفت و برگشت پرتو در مشدد قابل جبران است؛ اگرچه ممکن است وابستگی تقویتکننده به تلفات نوری و اثرات غیرخطی (مثلاً در سلول پاکلز) افزایش یابد. بنابراین بهتر است آرایش طراحی شود تا هر تابشی در یک رفت و برگشت داخل مشدد، چندین مرتبه از دیسک عبور کند. در نتیجه انرژیهای پالس قابلتوجهی بدون استفاده از سازوکار تقویت پالس چیرپ[۱۰] شده، قابل حصول است.
ساخت یک تقویتکننده منفرد( بدون مشدد و سوئیچ نوری) نیز امکانپذیر است؛ البته در این مورد، بهره کلی محدود است و به آرایش بهینهای برای حفظ کیفیت پرتو مطلوب، نیاز است.
تبدیل فرکانسی غیرخطی
لیزرهای سبز پیوسته پرتوان به سادگی با دوبرابر کردن فرکانس درون کاواکی لیزرهای دیسک نازک بدست میآیند. برای لیزرهای Q سوئیچ یا قفل مدی، دوبرابر شدن فرکانس در خارج از کاواک عملیتر است. لیزرهای دیسک نازک به عنوان منابع دمش برای نوسانگرهای پارامتری نوری[۱۱] ، تقویتکننده ها و مولدها، بسیار موردتوجه هستند [۶]. منبع RGB پرتوان برپایه لیزر دیسک نازک قفلمدی نیز گزارش شده است [۱۰]. توان بالای لیزرهای دیسک نازک قفلمدی منجر به تبدیل فرکانسی غیرخطی مؤثر با تطابق فازی بحرانی[۱۲] در بلورهای LBO شده که نیاز به گرمخانههای بلوری[۱۳] با پایداری گرمایی را مرتفع ساخته است.
بسط گستردهتر ایده دیسک نازک
دیسک نازک قابلیتهای بسیاری برای توسعه دارد. برای مثال در دمش از لبه دیسک، توان بالاتری حاصل میشود؛ در حالیکه به تجهیزات کمتری برای بهبود کیفیت پرتو دمش نیاز است. این دستاور در آزمایشگاه ملی لورنس لیومور[۱۴] در بلور لیزر ترکیبی بدست آمده است. یک دیسک YAG بدون آلاییدگی که به یک دیسک Yb:YAG متصل شده، دارای مزایای بسیاری است:
- تجهیزات لازم برای بهبود کیفیت پرتو دمش کاهش مییابد.
- پدیده گسیل خودبخودی تقویت شده (ASE) عرضی و پرتوهای لیزری مخرّب در دیسکهای بزرگ کاهش مییابد.
- مقاومت مکانیکی دیسک زیاد شده و خنکسازی بهبود مییابد.
بنابراین دمش از لبه به افزایش توان بیشتر، البته نه لزوماً با کیفیّت پرتو در حدّ پراش، منجر میشود.
نکته قابل توجه در این نوع سازوکار، استفاده از یک محیط بهره سرامیکی ترکیبی است که تنها در ناحیه وسط با ایتربیم آلاییده شده باشد و در نواحی خارجیاش آلاییدگی نداشته و فقط برای انتقال توان دمش استفاده میشود.
علاوه براین، توسعه لیزرهای دیسک نازک برودتی نیز مورد توجه است؛ زیرا خنکسازی فوقسرد اثرات عدسی گرمایی را در توانهای بالا به شدّت کاهش میدهد.
رقابت با لیزرهای فیبری
لیزرهای دیسک نازک در رقابت تنگاتنگی با لیزرها و تقویتکنندههای فیبری پرتوان هستند. در مد پیوسته، این لیزرها توان بالاتری با کیفیت پرتو نزدیک به حدّ پراش انتشار میدهند. انتظار میرود تا چند سال آینده لیزرهای دیسک نازک و فیبری پیشرفت چشمگیری داشته باشند و هنوز مشخص نیست کدام تکنولوژی بازار بیشتری به خود اختصاص میدهد.
در حوزه تولید پالسهای فوق کوتاه، سیستمهای تقویتکننده فیبری که برپایه تقویت پالس چیرپ شده هستند، توان متوسط بالاتر و عرض پالس کوتاهتری نسبت به لیزرهای دیسک نازک تقویت نشده دارند. هرچند چنین سیستمهایی نسبتاً پیچیده هستند و لیزرهای دیسک نازک احتمالاً برای تولید مستقیم پالسهایی با انرژی بالا، مخصوصاً اگر کیفیت پالس بالا مطرح است (با درنظرگرفتن شکل زمانی، چیرپ کوتاه و قطبیدگی خطی پایدار)، بر لیزرهای فیبری برتری دارند. نکته کلیدی این است که بدلیل ضخامت نازک دیسک و قطر بزرگ آن، اثرات غیر خطی در مقایسه با لیزر فیبر چندین مرتبه کوچکتر است و بنابراین در بسیاری شرایط دارای تکنولوژی ساخت سادهتری است.
مقایسه کامل لیزر دیسک نازک با لیزر فیبر پیچیده بوده و در بسیاری موارد به کاربرد خاص آنها وابسته است. برای مثال، مواردی مانند پهنای باند گسیل، کیفیت پرتو و پایداری قطبیدگی ممکن است در یک مورد ضروری باشد ولی در دیگری اهمیت چندانی نداشته باشد.
لیزرهای دیسک نیمه هادی
هندسه دیسک نازک در لیزرهای گسیل سطحی کاواک خارجی عمودی[۱۵] (VECSELs)، که نوعی از لیزرهای نیمههادی هستند، نیز استفاده میشود. در این حالت بدلیل جذب بالای مادّه نیمههادی، به دمش چندعبوری نیاز نیست. هرچند ایده چند عبوری برای جبران نقصان کوانتومی و درنتیجه کاهش گرما و دسترسی به توانهای بالا در لیزرهای نیمههادی بکارگرفته میشود [۱۳]. تاکنون دقیقاً مشخص نیست که این لیزرها بازدهی و عملکرد بهتری داشته باشند؛ دهها وات توان خروجی از این لیزرها بدون سازوکار دمش چندعبوری بدست آمده است. این لیزرها از این لحاظ که در طولموجهای مختلفی قابل توسعه هستند، موردتوجه قرار گرفته‌اند؛ به عنوان مثال با دوبرابرکردن فرکانس درون کاواک، نور آبی با توان خروجی بسیار بالا قابل حصول است.
مراجع
نکته قابل توجه در این نوع سازوکار، استفاده از یک محیط بهره سرامیکی ترکیبی است که تنها در ناحیه وسط با ایتربیم آلاییده شده باشد و در نواحی خارجیاش آلاییدگی نداشته و فقط برای انتقال توان دمش استفاده میشود.
علاوه براین، توسعه لیزرهای دیسک نازک برودتی نیز مورد توجه است؛ زیرا خنکسازی فوقسرد اثرات عدسی گرمایی را در توانهای بالا به شدّت کاهش میدهد.
رقابت با لیزرهای فیبری
لیزرهای دیسک نازک در رقابت تنگاتنگی با لیزرها و تقویتکنندههای فیبری پرتوان هستند. در مد پیوسته، این لیزرها توان بالاتری با کیفیت پرتو نزدیک به حدّ پراش انتشار میدهند. انتظار میرود تا چند سال آینده لیزرهای دیسک نازک و فیبری پیشرفت چشمگیری داشته باشند و هنوز مشخص نیست کدام تکنولوژی بازار بیشتری به خود اختصاص میدهد.
در حوزه تولید پالسهای فوق کوتاه، سیستمهای تقویتکننده فیبری که برپایه تقویت پالس چیرپ شده هستند، توان متوسط بالاتر و عرض پالس کوتاهتری نسبت به لیزرهای دیسک نازک تقویت نشده دارند. هرچند چنین سیستمهایی نسبتاً پیچیده هستند و لیزرهای دیسک نازک احتمالاً برای تولید مستقیم پالسهایی با انرژی بالا، مخصوصاً اگر کیفیت پالس بالا مطرح است (با درنظرگرفتن شکل زمانی، چیرپ کوتاه و قطبیدگی خطی پایدار)، بر لیزرهای فیبری برتری دارند. نکته کلیدی این است که بدلیل ضخامت نازک دیسک و قطر بزرگ آن، اثرات غیر خطی در مقایسه با لیزر فیبر چندین مرتبه کوچکتر است و بنابراین در بسیاری شرایط دارای تکنولوژی ساخت سادهتری است.
مقایسه کامل لیزر دیسک نازک با لیزر فیبر پیچیده بوده و در بسیاری موارد به کاربرد خاص آنها وابسته است. برای مثال، مواردی مانند پهنای باند گسیل، کیفیت پرتو و پایداری قطبیدگی ممکن است در یک مورد ضروری باشد ولی در دیگری اهمیت چندانی نداشته باشد.
لیزرهای دیسک نیمه هادی
هندسه دیسک نازک در لیزرهای گسیل سطحی کاواک خارجی عمودی[۱۵] (VECSELs)، که نوعی از لیزرهای نیمههادی هستند، نیز استفاده میشود. در این حالت بدلیل جذب بالای مادّه نیمههادی، به دمش چندعبوری نیاز نیست. هرچند ایده چند عبوری برای جبران نقصان کوانتومی و درنتیجه کاهش گرما و دسترسی به توانهای بالا در لیزرهای نیمههادی بکارگرفته میشود [۱۳]. تاکنون دقیقاً مشخص نیست که این لیزرها بازدهی و عملکرد بهتری داشته باشند؛ دهها وات توان خروجی از این لیزرها بدون سازوکار دمش چندعبوری بدست آمده است. این لیزرها از این لحاظ که در طولموجهای مختلفی قابل توسعه هستند، موردتوجه قرار گرفته‌اند؛ به عنوان مثال با دوبرابرکردن فرکانس درون کاواک، نور آبی با توان خروجی بسیار بالا قابل حصول است.
مراجع
| [۱] | J. A. Abate et al., “Active Mirror: a large-aperture medium repetition rate Nd:glass amplifier”, Appl. Opt. ۲۰ (۲), ۳۵۱ (۱۹۸۱) |
| [۲] | A. Giesen et al., “Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers”, Appl. Phys. B 58, ۳۶۳ (۱۹۹۴) |
| [۳] | K. Contag et al., “Theoretical modelling and experimental investigations of the diode-pumped thin disk Yb:YAG laser”, Quantum Electron. ۲۹ (۸), ۶۹۷ (۱۹۹۹) |
| [۴] | C. Stewen et al., “A 1-kW CW thin disc laser”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. ۶ (۴), ۶۵۰ (۲۰۰۰) |
| [۵] | R. Paschotta et al., “Passive mode locking of thin-disk lasers: effects of spatial hole burning”, Appl. Phys. B ۷۲ (۳), ۲۶۷ (۲۰۰۱) |
| [۶] | T. Südmeyer et al., “Novel ultrafast parametric systems: high repetition rate single-pass OPG and fiber-feedback OPO”, J. Phys. D: Appl. Phys. ۳۴ (۱۶), ۲۴۳۳ (۲۰۰۱) |
| [۷] | F. Brunner et al., “۲۴۰-fs pulses with 22-W average power from a mode-locked thin-disk Yb:KY(WO4)2 laser”, Opt. Lett. ۲۷ (۱۳), ۱۱۶۲ (۲۰۰۲) |
| [۸] | E. Innerhofer et al., “۶۰ W average power in 810-fs pulses from a thin-disk Yb:YAG laser”, Opt. Lett. ۲۸ (۵), ۳۶۷ (۲۰۰۳) |
| [۹] | R. Paschotta et al., “Passively mode-locked thin-disk laser”, U.S. Patent 6,834,064 (2004) |
| [۱۰] | F. Brunner et al., “Powerful RGB laser source pumped with a mode-locked thin-disk laser”, Opt. Lett. ۲۹ (۱۶), ۱۹۲۱ (۲۰۰۴) |
| [۱۱] | P. Klopp et al., “Highly efficient mode-locked Yb:Sc2O3 laser”, Opt. Lett. ۲۹ (۴), ۳۹۱ (۲۰۰۴) |
| [۱۲] | A. Beyertt et al., “Femtosecond thin-disk Yb:KYW regenerative amplifier”, Appl. Phys. B 80, ۶۵۵ (۲۰۰۵) |
| [۱۳] | S. -S. Beyertt et al., “Optical in-well pumping of a semiconductor disk laser with high optical efficiency”, IEEE J. Quantum Electron. ۴۱ (۱۲), ۱۴۳۹ (۲۰۰۵) |
| [۱۴] | T. Dascalu and T. Taira, “Highly efficient pumping configuration for microchip solid-state laser”, Opt. Express ۱۴ (۲), ۶۷۰ (۲۰۰۶) |
| [۱۵] | S. V. Marchese et al., “Pulse energy scaling to 5 μJ from a femtosecond thin-disk laser”, Opt. Lett. ۳۱ (۱۸), ۲۷۲۸ (۲۰۰۶) |
| [۱۶] | C. Stolzenburg et al., “Cavity-dumped intracavity-frequency-doubled Yb:YAG thin-disk laser with 100 W average power”, Opt. Lett. ۳۲ (۹), ۱۱۲۳ (۲۰۰۷) |
| [۱۷] | A. Giesen and J. Speiser, “Fifteen years of work on thin-disk lasers: results and scaling laws”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. ۱۳ (۳), ۵۹۸ (۲۰۰۷) |
| [۱۸] | R. Paschotta, J. Speiser, and A. Giesen, “Comment on ‘Surface loss limit of the power scaling of a thin-disk laser’”, J. Opt. Soc. Am. B ۲۴ (۱۰), ۲۶۵۸ (۲۰۰۷) |
| [۱۹] | R. Peters et al., “Broadly tunable high-power Yb:Lu2O3 thin disk laser with 80% slope efficiency”, Opt. Express ۱۵ (۱۱), ۷۰۷۵ (۲۰۰۷) |
| [۲۰] | S. V. Marchese et al., “Efficient femtosecond high power Yb:Lu2O3 thin-disk laser”, Opt. Express ۱۵ (۲۵), ۱۶۹۶۶ (۲۰۰۷) |
| [۲۱] | J. Vetrovec et al., “Side-pumped solid-state disk laser for high-average power ”, U.S. Patent 7 ۲۰۰ ۱۶۱ |
| [۲۲] | J. Neuhaus et al., “Passively mode-locked Yb:YAG thin-disk laser with pulse energies exceeding 13 μJ by use of an active multipass geometry”, Opt. Lett. ۳۳ (۷), ۷۲۶ (۲۰۰۸) |
| [۲۳] | S. V. Marchese et al., “Femtosecond thin-disk laser oscillator with pulse energy beyond the 10-microjoule level”, Opt. Express ۱۶ (۹), ۶۳۹۷ (۲۰۰۸) |
| [۲۴] | G. Palmer et al., “Passively mode-locked Yb:KLu(WO4)2 thin-disk oscillator operated in the positive and negative dispersion regime”, Opt. Lett. ۳۳ (۱۴), ۱۶۰۸ (۲۰۰۸) |
| [۲۵] | J. Neuhaus et al., “Subpicosecond thin-disk laser oscillator with pulse energies of up to ۲۵٫۹ microjoules by use of an active multipass geometry”, Opt. Express ۱۶ (۲۵), ۲۰۵۳۰ (۲۰۰۸) |
| [۲۶] | J. Speiser, “Scaling of thin-disk lasers – influence of amplified spontaneous emission”, J. Opt. Soc. Am. B ۲۶ (۱), ۲۶ (۲۰۰۹) |
| [۲۷] | C. R. E. Baer et al., “Femtosecond Yb:Lu2O3 thin disk laser with 63 W of average power”, Opt. Lett. ۳۴ (۱۸), ۲۸۲۳ (۲۰۰۹) |
| [۲۸] | T. Südmeyer et al., “High-power ultrafast thin disk laser oscillators and their potential for sub-100-femtosecond pulse generation”, Appl. Phys. B ۹۷ (۲), ۲۸۱ (۲۰۰۹) |
| [۲۹] | C. R. E. Baer et al., “Femtosecond thin-disk laser with 141 W of average power”, Opt. Lett. ۳۵ (۱۳), ۲۳۰۲ (۲۰۱۰) |
| [۳۰] | S. Ricaud et al., “Yb:CaGdAlO4 thin-disk laser”, Opt. Lett. ۳۶ (۲۱), ۴۱۳۴ (۲۰۱۱) |
| [۳۱] | O. Pronin et al., “High-power 200 fs Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator”, Opt. Lett. ۳۶ (۲۴), ۴۷۴۶ (۲۰۱۱) |
| [۳۲] | C. J. Saraceno et al., “Sub-100 femtosecond pulses from a SESAM modelocked thin disk laser”, Appl. Phys. B ۱۰۶ (۳), ۵۵۹ (۲۰۱۲) |
| [۳۳] | C. R. E. Baer et al., “Frontiers in passively mode-locked high-power thin disk laser oscillators”, Opt. Express ۲۰ (۷), ۷۰۵۴ (۲۰۱۲) |
| [۳۴] | D. Bauer et al., “Mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with 41 μJ pulse energy at 145 W average infrared power and high power frequency conversion”, Opt. Express ۲۰ (۹), ۹۶۹۸ (۲۰۱۲) |
| [۳۵] | O. Pronin et al., “High-power Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator in the positive dispersion regime”, Opt. Lett. ۳۷ (۱۷), ۳۵۴۳ (۲۰۱۲) |
| [۳۶] | C. J. Saraceno et al., “Ultrafast thin-disk laser with 80 μJ pulse energy and 242 W of average power”, Opt. Lett. ۳۹ (۱), ۹ (۲۰۱۴) |
[۱] Heat Sink
[۳]Dioptric power
[۴]Passively mode-locked
[۵] Trumpf
[۶] Spatial Hole Burning
[۷] Cavity dumping
[۸] Kerr lens mode-locking
[۹] Regenerative amplifiers
[۱۰] Chirped pulse
[۱۱] Optical parametric oscillators
[۱۲] Critical phase matching
[۱۳] Crystal ovens
[۱۴] Lawrence Livemore National Lab
[۱۵] Vertical external cavity surface-emitting lasers