دیسک­های نازک بیش از سایر روش­ها برای تولید لیزرهای حالت جامد پیوسته بکار می­روند. غیرخطی بودن کم آنها سبب می ­شود توان قله در پالس­های پیکوثانیه بالا بوده و برای کاربردهای سوراخکاری دقیق و برش سرد[۱] در بسیاری مواد مناسب باشند.

شکل ۱- دیسک­های نازک بیش از روش­های دیگر برای تولید لیزرهای حالت جامد پیوسته بکار می ­روند.

 

معرفی لیزر دیسک

آقای آدولف گیسن که هم اکنون در مرکز هوافضای آلمان (اشتوتگارت، آلمان) در حال فعالیت است، با اختراع لیزر دیسک نازک در دو دهه پیش هندسه لیزر حالت جامد را از شکل میله باریک بلند سنتی به دیسک تخت تغییر شکل داد. لیزرهای اسلب نشان داده بودند که با افزایش نسبت سطح به حجم محیط فعال، اتلاف گرما کاهش یافته و امکان بدست آوردن توان­های بالاتر لیزری فراهم می ­شود. دیسک های نازک حد نهایی طراحی اسلب هستند: اتصال دیسکی به ضخامت ۰٫۱ تا ۱ میلی­متر به چاهک گرمایی، انرژی باقیمانده دمش را به سرعت از بین می­ برد. سطح دیگر دیسک با مقیاس سانتی­متر، توسط پرتوهای لیزر دیود مورد دمش قرار می­گیرد.

در حال حاضر توان لیزرهای دیسک نازک به چند کیلووات افزایش یافته و در کاربردهای صنعتی با لیزرهای فیبر رقابت می ­کنند. هر دو لیزر راندمان چشمگیری برای لیزرهای حالت جامد به ارمغان آورده ­اند، اما ویژگی ­های مهم متفاوتی دارند. لیزرهای فیبر می ­توانند توان پیوسته بالاتری تولید کنند، اما دیسک های نازک توان­ های قله بالایی ایجاد می ­کنند. این امر آنها را برای طیف گسترده ای از کاربردها جذاب می­ کند، از برش دقیق شیشه ­های مستحکم برای تلفن­ های هوشمند گرفته تا دمش لیزرهای پالسی فوق کوتاه در برنامه­ های تحقیقاتی.

شکل ۲ دو طرح کلی برای دمش دیودی دیسک­ های نازک را نشان می­دهد. به طور کلی دیسک­ها بین ۰٫۱ تا ۱ میلی­متر ضخامت و ۵ تا ۱۵ میلی­متر قطر دارند. در لیزر تک دیسک، باریکه دیودها یا آرایه­ های دمش از یک طرف به سطح دیسک تابیده می ­شوند و سپس از سطح پشتی دیسک بازتاب کرده تا برای تحریک مجدد اتم­ها به دیسک برگردند. لایه بازتابی پشت دیسک همراه با آینه خروجی، کاواک تشدیدگر را تشکیل می ­دهند و پرتو لیزر ایجاد شده، در این مثال ساده، عمود بر سطح دیسک گسیل می ­شود. برای افزایش بهره داخل کاواک و توان خروجی لیزر می­توان دو یا چند دیسک را  به صورت سری در یک کاواک خمیده قرار داد، همانطور که در لیزر دو دیسکی W شکل نشان داده شده است.

شکل ۲- نمای شماتیک کاواک­های لیزر دیسک با a) تک دیسک در کاواک خطی و b) جفت دیسک در کاواک W شکل. نور خروجی از دیودهای دمش (زرد) در سرتاسر سطح دیسک به اندازه ۵ تا ۱۰ میلیمتر تابیده می ­شود و اتم­های ایتربیم را تحریک می­کند. خطوط قرمز، حجم تشدیدگر را نشان می ­دهند و دیسک­های نازک با رنگ آبی مشخص شده­ اند.

 

در عمل، اپتیک پیچیده ­تر از چیزی است که بیان شد. برای تولید پرتوهایی با کیفیت خوب به طراحی تشدیدگر پیچیده­ تری نیاز است. بدلیل اینکه دیسک خیلی نازک است، نور دمش مکرراً به سمت دیسک بازتابانده می ­شود که این امر جذب و بازدهی تبدیل اپتیکی به اپتیکی را افزایش می­ دهد. شدت دمش در لیزر دیسک بالا است، ولی نه به اندازه لیزر فیبر زیرا در سطح دیسک گسترده می­ شود. در صورتیکه در لیزر فیبر، پرتو دمش به هسته خارجی فیبر دو لایه که به اندازه ۱۲۵ تا چند صد میکرون است، متمرکز می ­شود. اتلاف حرارت از طریق دیسک نازک بسیار مؤثر است و از آنجا که گرادیان حرارتی در راستای ضخامت دیسک خطی است، لنز حرارتی کم است.

آینه­ های خروجی بخش اعظمی از نور را به داخل کاواک باز می ­گردانند تا بهره اشباع بالا باشد. با عبور بخش اندکی از پرتو لیزر، تولید هارمونیک درون ­کاواکی امکانپذیر می­ شود.

عملکرد پیوسته با توان بالا

آقای الکساندر کلی[۱] از شرکت لیزر ترامف (شرامبرگ، آلمان) می­گوید: لیزرهای دیسک نازک “برای عملکرد پیوسته دارای خواص بسیار خوبی هستند”، که سبب می­ شود خانواده­ ای از لیزرهای دیسک نازک برای توان خروجی پیوسته از ۱ تا ۱۶ کیلووات رده ­بندی شوند. سیستم­ های تک دیسک حداکثر ۶ کیلو وات گسیل می ­کنند و توان لیزرهای چهار دیسک به ۱۶ کیلو وات می­ رسد. توان خروجی با سطح مقطع پرتو بر روی دیسک افزایش می ­یابد. بازده تبدیل اپتیکی به اپتیکی می ­تواند بیش از ۵۰% باشد. “کیفیت پرتوی [دیود] مورد نیاز برای دمش لیزر دیسک در مقیاس سانتی­متر بسیار پایین است”، در مقایسه با دیودهای با درخشندگی بالا که برای دمش لیزر فیبر با هسته بسیار کوچکتر لازم است. دمش با درخشندگی پایین یک مزیت است زیرا نسبت به دیودهای با درخشندگی بالا ارزان­تر هستند.

در لیزرهای دیسک، دست­یابی به توان­های بالاتر اثبات شده­ است. در کنفرانسCLEO  سال ۲۰۱۳، گیسن[۲] بیان کرد دیسک­های نازک با توان بیش از ۱۰ کیلووات و تبدیل نوری بیشتر از ۵۰% تولید کرده ­اند. در آگوست سال ۲۰۱۳، سیستم­های انرژی مستقیم بوئینگ (آلبوکرک، NM)، لیزر دیسک نازک ۳۰ کیلو وات پیوسته با توان ۹۰ کیلووات برق را برای ابتکار عمل لیزر الکتریکی DARPA به نمایش گذاشت. در CLEO، گیسن پیش­ بینی کرد که توان لیزرهای تک دیسک می­تواند فراتر از ۱۰۰ کیلووات باشد و ترکیب یک اسیلاتور چند دیسکی با تقویت کننده­ های حاوی دیسک ­های اضافی می­تواند لیزری از کلاس مگاوات با کیفیت پرتو مناسب تولید کند [۱]. 

توان­های بالا تا حدی با از دست دادن کیفیت پرتو همراه هستند. لیزر ترامپ ۱۶ کیلووات دارای کیفیت پرتو ۸ میلی متر– میلی رادیان (مربوط به ۲۴M²<) است. اما آزمایش­های اخیر خروجی نزدیک به مد اصلی در بازه توان ۱ کیلووات را نشان داده ­اند.

یکی از نوآوری­ها در لیزر دیسک، انتقال طول موج دمش از باند جذب معمولی ۹۴۰ نانومتر ایتربیوم به خط جذب ۹۶۹ نانومتر تراز لیزری بالاتر آن، به نام دمش “فونون صفر” است. بیرگیت وچلت[۳] و همکارانش در دانشگاه اشتوتگارت دریافتند که دمش در طول موج ۹۶۹ نانومتر باعث کاهش ۳۲% حرارت، کاهش پراش و افزایش بازده تبدیل نوری به ۵۸٫۵% می­شود و به آنها امکان تولید توان ۷۴۲ وات با کیفیت پرتو نزدیک به ۱٫۵ می­دهد [۲]. بازده نوری در حالت چندمدی به ۷۲% می ­رسد، اما کیفیت پرتو در حدود ۱۵ است. بعداً، تیمی در آزمایشگاه های ملی DSO (سنگاپور) با استفاده از تشدیدگر ساده در یک محفظه خلأ، به توان ۱٫۱ کیلووات با کیفیت پرتو  ۱٫۴M²< دست یافت [۳]. 

اکنون که ترامف با تک دیسک نازک آب ­خنک به توان ۴ کیلووات و کیفیت پرتو ۱٫۳۸ دست یافته، قدم بزرگ دیگری برداشته است. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، انحنای سطح دیسک مقعر است و یکی از آینه­ های کاواک محدب است. کاواک تشدیدگر در هوای تمیز قرار گرفته و کاواک دمش، پرتو دمش را ۴۴ مرتبه از میان دیسک عبور می­ دهد [۴].  بسیاری از اجزای نوری و مکانیکی همان اجزای مورد استفاده در لیزرهای تجاری ترامف بودند، اما دمش با شش دیود دمش ۱٫۲ کیلووات در طول موج ۹۶۹ نانومتر انجام گرفت.

شکل ۳- نمای ساده کاواک اپتیکی که توان ۴ کیلووات با کیفیت پرتو نزدیک مد اصلی تولید می­ کند. جزئیات باریکه دیود دمش که ۴۴ بار از دیسک عبور می ­کند، نشان داده نشده است.

 

دمش پالسی

آقای کیلی می ­گوید: لیزر دیسک “مخصوصاً برای عملکرد پالسی مناسب است. مزیت بزرگ آن این است که عملاً غیرخطی نیست”، زیرا نور موجود در کاواک فقط از جزء کوچکی از محیط جامد لیزر عبور می کند. شیشه موجود در لیزرهای فیبر عملاً غیرخطی نیست، اما نور در یک هسته کوچک متمرکز شده و در طول فیبر، چگالی بالایی ایجاد می ­کند. این امر سبب پراکندگی شدید بریلوئن و غیرخطی ­های دیگر می­ شود که تولید لیزر فیبر تک مد پیوسته را به حدود ۱۰ کیلو وات محدود می ­سازد. این محدودیت در مورد توان قله پالس و همچنین توان پیوسته صادق است.

دیسک های نازک نور را بر روی قسمت وسیعی از دیسک پراکنده می کنند، و پرتو بیشتر از طریق هوا در کاواک لیزر پخش می شود، بنابراین اثرات غیرخطی در مقایسه با فیبر ناچیز هستند. آقای کیلی می ­گوید: “در لیزر دیسک، شما آزاد هستید و می­توانید تقریباً توان قله دلخواه را بدون اثر غیرخطی داشته باشید.” پالس­های تکرارپذیر، کوتاه و پرقدرت برای بسیاری از برنامه ­های کاربردی در زمینه مواد مهم هستند. آقای اسون چاد[۱] از ترامف می­گوید که حفاری سوراخ ­ها در دهانه تزریق سوخت خودرو با لیزرهای دیسک ۱۰ پیکوثانیه توسط Robert Bosch GmbH (اشتوتگارت، آلمان)، بازده سوخت موتور را تا ۲۰ درصد افزایش داد، یک شاهکار که برنده German Future Prize شد.

جذابیت لیزرهای پیکو ثانیه ­ای، برش سرد است که بدون گرم کردن یا آسیب رساندن به ماده، لایه سطح را می ­سوزاند. مثالهای مهم دیگر برش نیمه هادی ­ها یا شیشه های سخت شده مورد استفاده در تلفن­ های هوشمند است. آقای چاد می­گوید: ” اینها نمونه ­های بسیار مطلوبی هستند که می ­توانند مواد دلخواه را برش دهند.”

تکنیک قفل ­مدی می­تواند پالس ­های پیکو ثانیه ایجاد کند، اما چالش اصلی تولید انرژی­ های پالسی بالا مورد نیاز برای برش بوده است. توسعه سلول ­های چندبار عبور فعال مانند سلول نشان داده شده در شکل ۴، پیشرفت مهمی را نشان داده است. مرحله اول، در سمت چپ، از یک آینه جاذب اشباع ­پذیر نیمه هادی (SESAM[2]) برای شروع و تثبیت قفل­ مدی استفاده می­ کند. مرحله دوم، در سمت چپ، سلول چندبار عبور فعال است، که پرتو را خم کرده تا کاواکی با طول ۴۲٫۷ متر ایجاد کند، که متناظر با نرخ تکرار پالس ۳٫۵۱ مگاهرتز است. در این نرخ، انرژی پالس تولید شده ۴۰ میکروژول است که توان متوسط ​​۱۴۵ وات ایجاد می­کند [۵]. لیزرهای دیسک پیکو ثانویه تجاری توان­ های متوسط ۱۰۰ وات در طول موج ۱۰۳۰ نانومتر یا ۶۰ وات در ۵۱۵ نانومتر در طول موج سبز تولید می ­کنند.

شکل ۴- اسیلاتور قفل ­مدی با سلول چندبار عبور فعال. آینه جاذب اشباع­پذیر نیمه هادی (SESAM) یک انتهای کاواک است. آینه دیگر کاواک در داخل سلول چندبار عبور در سمت راست است. خطوط برخی از مسیر پرتوها را نشان می دهند که به ۴۲٫۷ متر طول افزایش یافته تا تأخیر بین پالس­ها افزایش یابد. 

 

گروه Ursula Keller در انستیتوی فناوری فدرال سوئیس (زوریخ، سوئیس) با بهره­ گیری از لیزر دیسک نازک قفل­ مدی در خلأ، توانست اثرات غیرخطی هوا را کاهش داده و توان بیشتری را به کار گیرد. در کنفرانس CLEO 2013، این گروه رکورد توان متوسط ۲۷۵ وات با انرژی پالس ۱۶٫۹ میکروژول را با نرخ تکرار پالس ۱۶٫۳ مگاهرتز گزارش کرد. عرض پالس ۵۸۳ فمتوثانیه و توان قله ۲۵٫۶ مگاوات بود.

چشم انداز

توسعه ­های بیشتری در حال انجام است. لیزرهای دیسک پیکوثانیه همچنین به عنوان سیستم دمش تقویت کننده های پالس چرپ شده[۱] که پالس­ های چند چرخه ای تولید می کنند توسعه داده می شوند. خانم کاترین تیزت[۲] و همکارانش در لیزرهای علمی ترامف (مونیخ-آلمان) به لیزر دیسکی با توان متوسط ۳۰۰ وات انرژی پالس ۳۰ میلی ژول، عرض پالس ۱٫۶ پیکوثانیه در نرخ تکرار ۱۰ کیلوهرتز ​​رسیده­ اند. آنها گفتند این بالاترین توان متوسط ​​است که از یک تقویت کننده خودسازگار[۳] بدست آمده است [۷]. از این فناوری می ­توان برای ایجاد زیرساخت های نور شدید برای تولید پالس­های فرابنفش فرین[۴] آتوثانیه استفاده کرد.

توسعه دهندگان لیزرهای دیسک نازک همچنین نشان داده ­اند که این لیزر از مواد دیگر نیز ساخته می­ شود. پژوهش بر روی چندین میزبان ایتربیم در حال انجام است. گروه گیسن، دیسک ­های نازک سلنید-روی با آلائیدگی کروم را با دو لیزر دیود آنتیمونی در ۱٫۸۵ میکرون و لیزر فیبر تولیم ۱٫۹۰۸ میکرون پمپ کرده است و به توان ۱ وات در طول موج ۲٫۳۵ میکرون دست یافته­ اند [۸]. آنها همچنین لیزرهای نازک دیسک هلمیوم-YAG را آزمایش کرده ­اند.  دانستن اینکه چه مواد دیگری لیزرهای دیسک نازک خوبی ایجاد می ­کنند، جالب خواهد بود.

 

REFERENCES

1. A. Giesen, “Scaling thin disk lasers to high power and energy,” CLEO 2013, CTu1O.¹ (2013).
2. B. Weichelt et al., Opt. Lett., 37, 3045 (Aug. 1, 2012).
3. Y. H. Peng et al., Opt. Lett., 38, 10, 1709 (May 15, 2013).
4. T. Gottwald et al., “Recent developments in high power thin disk lasers at TRUMPF Laser,” Proc. SPIE, 88980P (Oct. 15, 2013); doi:10.1117/12.2028656.
5. D. Sutter et al., “Ultrafast disk lasers and amplifiers,” Proc. SPIE, 82350X (Feb. 9, 2012); doi:10.1117/12.906905.
6. C. Saraceno et al., “Pushing the limits of high-power modelocked thin disk lasers by operating in a vacuum environment,” CLEO 2013, CTh1H.⁴ (2013).
7. C. Teisset et al., “300 W picosecond thin-disk regenerative amplifier at 10 kHz repetition rate,” Advanced Solid-State Lasers Congress, JTh5A.¹ (2013).
8. G. Renz et al., “Cr:ZnSe bulk and Cr:ZnSe thin disk CW lasers,” Lasers, Sources and Related Photonic Devices Technical Digest, AT4A.³ (2012).

Tell us what you think about this article. Send an e-mail to LFWFeedback@pennwell.com.

[۱] Chirped-Pulse Amplifiers

[۲] Catherine Teisset

[۳] Regenerative Amplifier

[۴] Extreme-Ultraviolet

[۱] Sven Schad

[۲] Semiconductor Saturable Absorber Mirror

 

[۱] Alexander Killi

[۲] Giesen

[۳] Birgit Weichelt

[۱] Cold Ablation