레이저 파워 스케일링

Laser power scaling

레이저파워 스케일링은 기하학, 형태 또는 작동 원리를 바꾸지 않고 출력 전력을 증가시키고 있다.전력 확장성은 레이저 설계에서 중요한 이점으로 간주된다.

보통 전력 스케일링에는 보다 강력한 펌프 공급원, 보다 강력한 냉각력, 그리고 크기 증가가 필요하다.또한 레이저 공진기와 특히 이득 매체에서 배경 손실을 줄여야 할 수 있다.

모파

전력 확장성을 달성하는 가장 일반적인 방법은 "MOPA"(마스터 오실레이터 파워앰프) 접근법이다.마스터 오실레이터는 매우 일관성이 높은 빔을 생성하며 광학 증폭기를 사용하여 빔의 주요 특성을 보존하면서 빔의 출력을 증가시킨다.마스터 오실레이터는 파워 앰프에 의해 주로 효율이 결정되기 때문에 파워풀할 필요가 없고, 고효율에서 작동할 필요가 없다.공통 마스터 오실레이터에 의해 시딩된 여러 레이저 증폭기의 조합은 고출력 레이저 에너지 연구 설비의 필수 개념이다.

본질적으로 확장 가능한 설계

디스크 레이저

1992년 SPIE 회의에서 제시된 디스크 레이저 구성.[1]

양호한 전력 스케일링을 위해 설계된 솔리드 스테이트 레이저의 한 종류는 디스크 레이저(또는 "액티브 미러")[1]이다.그러한 레이저들은 연속파 작동에서 단일 활성 소자에서 수 킬로와트의 전력으로 확장될 수 있다고 여겨진다.[2]아마도 디스크 레이저의 전력 확장성에 대한 기대는 약간 과장된 것일 것이다. 디스크 레이저를 선호하는 일부 출판물은 서로 반복될 뿐이다. 예를 들어, 비교해보자. 이러한 기사들은 제목만[neutrality is disputed] 다를 뿐이다.[4]

증폭된 자발적 방출, 과열 및 왕복 손실디스크 레이저의 출력을 제한하는 가장 중요한 과정인 것 같다.[5]향후 전력 스케일링을 위해서는 왕복 손실 감소 및/또는 여러 활성 요소의 조합이 필요하다.

섬유레이저

광섬유 레이저는 파워 스케일링이 좋은 고체 상태의 레이저의 또 다른 유형이다.광섬유 레이저의 동력 스케일링은 라만 산란브릴루인 산란으로 제한되며, 그러한 레이저가 그리 길지 않다는 사실에 의해 제한된다.2중 복장 섬유의 제한된 길이는 다중 모드 펌프의 사용 가능 전력을 제한하는데, 이는 펌프가 섬유 능동 코어에 효율적으로 흡수되지 않기 때문이다.피복재 형상의 최적화는 전력 스케일링의 한계를 확장할 수 있다.[6][7][8][9]

섬유 디스크 레이저

광섬유 레이저의 출력 스케일링 한계는 펌프의 측면 전달로 확장될 수 있다.이것은 소위 섬유 디스크 레이저로 실현된다.[11][12][13]그러한 레이저의 펌프는 도핑된 코일이 있는 섬유로 만들어진 디스크의 측면으로부터 전달된다.그러한 디스크 몇 개(냉각재를 사이에 두고 있음)를 스택으로 결합할 수 있다.

열제거원 문제

전력 스케일링은 열을 발산하는 능력으로 제한된다.일반적으로 효율적인 레이저 작용을 위해 설계된 재료의 열전도율은 열전달에 최적화된 재료(금속, 다이아몬드)에 비해 작다.소형 장치에서 열을 효율적으로 배출하려면 활성 매체가 좁은 슬래브여야 한다. ASE보다 원하는 방향에서 빛의 증폭을 유리하게 하려면 그림과 같이 에너지와 헤드가 직교 방향으로 철수해야 한다.낮은 배경 손실(일반적으로 0.01 또는 0.001)에서는 열과 빛을 반대 방향으로 인출할 수 있어 넓은 구경의 활성 요소가 허용된다.이 경우 동력 스케일링에는 여러 활성 요소의 조합이 사용된다.

일관성 있는 추가 및 보 결합

4가지 섬유 레이저의 일관성 있는 추가.[14][15]

별도의 레이저 빔을 결합하면 확장성도 얻을 수 있다.완전히 독립적인 빔은 보통 각 빔이 단독으로 가지고 있는 것보다 더 높은 광도를 가진 빔을 생성하기 위해 결합될 수 없다.빔은 서로 일관성이 있어야 결합할 수 있다.그러한 빔은 능동적으로 또는 수동적으로 결합될 수 있다.

레이저의 패시브 결합(또는 일관성 있는 추가)에서는 결합된 모든 레이저에 공통되는 몇 가지 모드래싱 임계값을 초과할 수 있다.레이저 8대의 효율적인 수동 결합이 보고되었다.추가 전력 배율을 위해서는 개별 레이저의 이득 대역폭 및/또는 길이에 대한 기하급수적인 성장이 필요하다.

활성 결합은 개별 레이저의 출력 위상의 실시간 측정과 이를 모두 위상에 유지하도록 빠른 조정을 의미한다.그러한 조정은 음향 주파수에서 위상 소음을 억제하는 데 효과적인 적응 광학 장치에 의해 수행될 수 있다.모든 광학적 전환에 기초한 더 빠른 계획이 연구되고 있다.

참조

  1. ^ a b K. Ueda; N. Uehara (1993). Chung, Y. C (ed.). "Laser-diode-pumped solid state lasers for gravitational wave antenna". Proceedings of SPIE. Frequency-Stabilized Lasers and Their Applications. 1837: 336–345. Bibcode:1993SPIE.1837..336U. doi:10.1117/12.143686.[데드링크]
  2. ^ A. Giesen; H. Hügel; A. Voss; K. Wittig; U. Brauch; H. Opower (1994). "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers". Applied Physics B. 58 (5): 365–372. Bibcode:1994ApPhB..58..365G. doi:10.1007/BF01081875.
  3. ^ A.Giesen (2004). Terry, Jonathan A. C; Clarkson, W. Andrew (eds.). "Thin-disk solid-state lasers". Proceedings of SPIE. Solid State Laser Technologies and Femtosecond Phenomena. 5620: 112–127. Bibcode:2004SPIE.5620..112G. doi:10.1117/12.578272.[영구적 데드링크]
  4. ^ A.Giessen (2004). Scheps, Richard; Hoffman, Hanna J (eds.). "Results and scaling laws of thin disk lasers". Proceedings of SPIE. Solid State Lasers XIII: Technology and Devices. 5332: 212–227. Bibcode:2004SPIE.5332..212G. doi:10.1117/12.547973.[영구적 데드링크]
  5. ^ D. Kouznetsov; J.-F.Bisson; J.Dong; K.Ueda (2006). "Surface loss limit of the power scaling of a thin-disk laser". JOSA B. 23 (6): 1074–1082. Bibcode:2006JOSAB..23.1074K. doi:10.1364/JOSAB.23.001074.
  6. ^ Kouznetsov, D.; Moloney, J.V. (2003). "Highly efficient, high-gain, short-length, and power-scalable incoherent diode slab-pumped fiber amplifier/laser". IEEE Journal of Quantum Electronics. 39 (11): 1452–1461. Bibcode:2003IJQE...39.1452K. CiteSeerX 10.1.1.196.6031. doi:10.1109/JQE.2003.818311.
  7. ^ Kouznetsov, D.; Moloney, J.V. (2003). "Efficiency of pump absorption in double-clad fiber amplifiers. 2: Broken circular symmetry". JOSA B. 39 (6): 1259–1263. Bibcode:2002JOSAB..19.1259K. doi:10.1364/JOSAB.19.001259.
  8. ^ Leproux, P.; S. Fevrier; V. Doya; P. Roy; D. Pagnoux (2003). "Modeling and optimization of double-clad fiber amplifiers using chaotic propagation of pump". Optical Fiber Technology. 7 (4): 324–339. Bibcode:2001OptFT...7..324L. doi:10.1006/ofte.2001.0361.
  9. ^ A. Liu; K. Ueda (1996). "The absorption characteristics of circular, offset, and rectangular double-clad fibers". Optics Communications. 132 (5–6): 511–518. Bibcode:1996OptCo.132..511A. doi:10.1016/0030-4018(96)00368-9.
  10. ^ K. Ueda; A. Liu (1998). "Future of High-Power Fiber Lasers". Laser Physics. 8: 774–781.
  11. ^ K. Ueda (1999). Scaling physics of disk-type fiber lasers for kW output. Lasers and Electro-Optics Society. Vol. 2. pp. 788–789. doi:10.1109/leos.1999.811970. ISBN 978-0-7803-5634-4.
  12. ^ Ueda; Sekiguchi H.; Matsuoka Y.; Miyajima H.; H.Kan (1999). Conceptual design of kW-class fiber-embedded disk and tube lasers. Lasers and Electro-Optics Society 1999 12th Annual Meeting. LEOS '99. IEEE. Vol. 2. pp. 217–218. doi:10.1109/CLEOPR.1999.811381. ISBN 978-0-7803-5661-0.
  13. ^ Hamamatsu K.K. (2006). "The Fiber Disk Laser explained". Nature Photonics. sample: 14–15. doi:10.1038/nphoton.2006.6.
  14. ^ A.Shirakawa; T.Satou; T. Sekiguchi; K. Ueda (2002). "Coherent addition of fiber lasers by use of a fiber coupler". Optics Express. 10 (21): 1167–1172. Bibcode:2002OExpr..10.1167S. doi:10.1364/oe.10.001167. PMID 19451976.
  15. ^ D.Kouznetsov; J.-F. Bisson; A. Shirakawa; K. Ueda (2005). "Limits of Coherent Addition of Lasers: Simple Estimate". Optical Review. 12 (6): 445–447. Bibcode:2005OptRv..12..445K. doi:10.1007/s10043-005-0445-8. Archived from the original on 2007-09-27. Retrieved 2007-03-18.