400 W durchschnittliche Leistung Q

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16918 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir berichten über die direkte Erzeugung einer durchschnittlichen Leistung von bis zu 403 W mit einem akusto-optisch gütegeschalteten Yb:YAG-Dünnscheibenlaser (TDL). Um diese Leistung zu erreichen, konnte theoretisch und experimentell gezeigt werden, dass die Laserstabilitätsgrenze durch die Gestaltung der Ausgangskopplertransmission in Richtung höherer Wiederholungsraten verschoben werden könnte. Dies ermöglicht einen stabilen Betrieb des Lasers bei höheren Frequenzen und eine weitere Steigerung der Leistungsentnahme aus dem aktiven Medium. Unter Verwendung eines Ausgangskopplers mit 93 % Reflektivität wurde bei einer Pumpleistung von 1220 W eine maximale Durchschnittsleistung von 403 W bei einer Wiederholungsrate von 12,0 kHz aufgezeichnet. Darüber hinaus wurde die maximale Impulsenergie von 57 mJ bei einer Wiederholungsrate von erzeugt 1,00 kHz und die Pumpleistung 520 W. Die Eigenschaften des Lasers bei verschiedenen Güteschaltraten und Pumpleistungen wurden untersucht. Darüber hinaus wurde hier eine numerische Studie zur Unterstützung der experimentellen Ergebnisse vorgeschlagen. Nach unserem besten Wissen sind die erreichte Durchschnittsleistung und die Pulsenergie die höchsten Werte, die bisher von einem gütegeschalteten Yb:YAG-TDL gemeldet wurden. Die Ergebnisse ebnen den Weg für eine weitere Leistungsskalierung von gütegeschalteten Halbleiteroszillatoren.

Dünnscheibenlaser (TDLs) sind eine Klasse relativ kostengünstiger Laserquellen mit hoher Durchschnittsleistung1. Die einzigartigen Spezifikationen dieser Laser in Bezug auf Leistung und Strahlqualität machten sie für die Herstellung von CW- und gepulsten Lasersystemen2 sehr attraktiv. Das Erreichen eines vielversprechenden optischen Wirkungsgrads von 80 % macht sie für industrielle Anwendungen vorteilhafter3. Über TDLs mit hoher Durchschnittsleistung und Impulsdauer von µs bis ns4,5, ultraschnellen Impulsen6,7 und grünen TDLs mit hoher Durchschnittsleistung8 wurde berichtet. TDL-Geräte mit durchschnittlichen Leistungen von mehr als 10 kW im CW-Modus und mehreren hundert Watt im gepulsten Betrieb wurden kommerzialisiert9.

Im Hochleistungsbetrieb sind Güteschaltung, Cavity Dumping und Oszillator-Verstärker-Aufbau die drei Hauptmethoden zur Impulserzeugung im µs- oder ns-Bereich10. Trotz anfänglicher Bemühungen, diese Methoden zu nutzen11,12,13, wurde in den TDLs in dieser Region häufig Cavity-Dumping zur Impulserzeugung mit durchschnittlichen Leistungen von bis zu mehreren hundert Watt5,14,15,16 verwendet. Es weist jedoch einige wichtige Nachteile auf, darunter Hochspannungsbetrieb, relativ hohe Kosten für die Dumpingelemente und das breite Spektrum17. Andererseits ist Güteschaltung eine gängige Methode zur Erzeugung gepulster Festkörperlaser unter Verwendung akusto-optischer (AO) oder elektrooptischer (EO) Modulatoren. Im Vergleich zur EO-Güteschaltung und zum Cavity-Dumping ist die AO-Güteschaltung attraktiv, da sie keine Hochspannung und keine polarisierenden Elemente im Resonator benötigt und daher weniger kompliziert und wirtschaftlicher ist10.

Die durchschnittliche Leistung gepulster Laser ist in industriellen Anwendungen sehr wichtig, da sie direkt die Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmt18,19. Bei Stabschwingern wird die maximale Durchschnittsleistung durch die Bruchgrenze des aktiven Mediums begrenzt20,21. Unterdessen zerstören die thermischen Effekte die Qualität des Laserstrahls, so dass zur Erzielung höherer Durchschnittsleistungen verschiedene Verstärkungsstufen erforderlich sind22,23. Alternativ sind nichtlineare Effekte und Faserschäden die Hauptfaktoren, die die Leistungsskalierung gepulster Faserlaser erschweren24,25. Aufgrund der Geometrie des aktiven Mediums werden TDLs jedoch weniger von den oben genannten einschränkenden Faktoren beeinflusst und es wird eine Skalierung der durchschnittlichen Leistung bei konstanter Pumpleistungsdichte erreicht1.

Bemerkenswert ist, dass bei gütegeschalteten TDLs zwei Hauptfaktoren die Skalierung der durchschnittlichen Ausgangsleistung einschränken26. Beide Faktoren sind auf den niedrigen Verstärkungskoeffizienten des aktiven Mediums zurückzuführen. Das Reflexionsvermögen des Ausgangskopplers (OC) liegt typischerweise nahe eins, sodass die interne Energie des Hohlraums hoch genug ist, um die Platte selbst bei Ausgangsimpulsen in der Größenordnung von hundert mJ zu beschädigen. Daher sollte die Laserwiederholungsrate erhöht werden, um die Durchschnittsleistung zu verbessern. Dies könnte jedoch zu starken Schwankungen der Ausgangsimpulsenergie und dem Auftreten von Impulsinstabilitäten führen13,27. Diese Instabilität entsteht durch die Dynamik gütegeschalteter Laser und ist immer noch Gegenstand experimenteller und theoretischer Untersuchungen, auch bei anderen Laserarten26,28,29. Obwohl Pulsinstabilität eine intrinsische Eigenschaft der gütegeschalteten Laser ist, wird erwartet, dass sie aufgrund ihres niedrigen Verstärkungsfaktors bei TDLs stärker auftritt28. Aktive Feedback-Steuerungstechnologien könnten implementiert werden, um die Laserleistung in diesem Bereich zu stabilisieren, aber den Laser noch komplexer machen und seine Flexibilität einschränken16,30.

Unter den verwandten Veröffentlichungen zu gütegeschalteten Hochleistungs-TDLs gibt es keine umfassende Studie zur Vergrößerung der durchschnittlichen Leistung von gütegeschalteten Yb:YAG-TDLs oder zur Charakterisierung der Abhängigkeit der Impulsinstabilitäten von den Laserdesignparametern. In fast allen dieser Berichte wurde über die erzeugten Impulse unter normalen Betriebsbedingungen berichtet, typischerweise bei niedrigen Durchschnittsleistungen11,13.

Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, mit einem gütegeschalteten Yb:YAG-TDL unter Verwendung eines kommerziellen AO-Modulators und eines einfachen V-förmigen Resonators eine durchschnittliche Leistung von etwa 400 W zu erzeugen. Wir haben gezeigt, dass der Laser stabil bei höheren Wiederholungsraten arbeiten kann, indem wir die Durchlässigkeit des Ausgangskopplers anpassen. Dies führt zu einer Verbesserung der erreichbaren Durchschnittsleistung der Festplatte. Auf diese Weise haben wir dieses Lasersystem optimiert, um einen neuen Rekord bei der Durchschnittsleistung zu erzielen, indem wir die Schadensschwelle des Plattenmediums durch die Steuerung der Laserpulsfluenz und des Instabilitätsbereichs des Lasers berücksichtigen. Darüber hinaus wurde eine numerische Simulation zur Unterstützung der experimentellen Ergebnisse vorgestellt.

In Abb. 1 ist eine Darstellung des entworfenen Laseraufbaus zu sehen. Das Pumpen erfolgt durch einen Hochleistungs-Stack-Diodenlaser bei 940 nm mit einer Ausgangsleistung von bis zu 1300 W. Aufgrund der Bedeutung des Pumpprofils für die Laserleistung wurde ein optisches Strahlformungssystem entwickelt, um einen gleichmäßigen und nahen Strahl zu erzeugen Zylinderförmiges Pumpenprofil mit gewünschtem Punktdurchmesser auf der Scheibenoberfläche31. Das System verwendet einen Lichtleiter, um das Ausgangsprofil des Stapels zu homogenisieren, Zylinderlinsen, um den optischen Astigmatismus des Diodenlasers zu kompensieren, und einige Kollimationslinsen, um die Größe des Pumpstrahls auf der Scheibe anzupassen (alles in Abb. 1b dargestellt).

Übersicht über den Versuchsaufbau: (a) Schema des entworfenen Lasers, (b) Strahlformungssystemelemente, (c) Multi-Pass-Pumpmodul und Resonator, (d) Pumpprofil auf der Scheibe, (e) die Bindung Scheibe auf der Cu-W-Kühlplatte, (f) die Temperaturverteilung auf der Scheibenoberfläche und (g) das Strahlaufprallkühlsystem.

Ein Multi-Pass-Pumpsystem wird verwendet, um die Weglänge des Pumpstrahls im Scheibenmedium zu erhöhen und die Pumpeffizienz zu erhöhen32. Das entworfene Multi-Pass-System, das in Abb. 1c dargestellt ist, enthält einen Parabolspiegel mit einer Brennweite von 100 cm und Faltspiegel, die den nicht absorbierten Pumpstrahl auf das Plattenmedium umlenken. Dieses Multi-Pass-Pumpsystem ermöglicht 20 Single-Pass-Durchgänge durch die Scheibe mit einer Absorptionseffizienz von etwa 90 %. Wie in Abb. 1d dargestellt, bildet sich schließlich auf der Scheibe ein Hutpumpenprofil mit einem Punktdurchmesser von 6,5 mm.

Das Scheibenmedium war ein handelsüblicher Yb:YAG-Kristall mit einer Dotierungskonzentration von 9 % und einer Dicke von 180 µm. Die Scheibe ist auf der Vorderseite hochtransmissionsbeschichtet für die Wellenlängen 940 nm (Pumpwellenlänge) und 1030 nm (Laserwellenlänge) und auf der Rückseite hochreflexionsbeschichtet für beide Wellenlängen. Die Rückseite der Scheibe wurde mit einem Au-Sn-Lot auf eine Cu-W-Platte geklebt, um ein effizientes Wärmeübertragungsmedium für die Wasserkühlung der Scheibe bereitzustellen. Ein Bild der verbundenen Scheibe und des gleichmäßigen Temperaturprofils auf der Scheibenoberfläche unter dem Pumpen ist in Abb. 1e bzw. f dargestellt. Für eine effiziente Wärmeableitung von der Yb:YAG-Scheibe unter dem Einfluss des Pumppunkts wurde ein Wasserstrahl-Aufprallkühlsystem33, dargestellt in Abb. 1g, entworfen und implementiert.

Außerdem wurde, wie in Abb. 1c gezeigt, ein einfacher V-förmiger Resonator so konstruiert, dass der Stabilitätsfaktor g1g2 je nach Pumpleistung zwischen 0,47 und 0,54 bleibt. Bemerkenswert ist, dass die Scheibe aufgrund der thermischen Biegung eine konkave Krümmung mit einem Radius zwischen 2,2 und 4,1 m aufweist. Diese variable Dioptrie der Scheibe wurde beim Resonatordesign berücksichtigt.

Zur Güteschaltung wurde ein akustooptischer Modulator in den hinteren Arm des Resonators eingebaut. Der Modulator enthält einen BBO-Kristall mit einer Länge von 5 cm und einer freien Apertur von 5 mm, einen piezoelektrischen Wandler und einen HF-Treiber. Ein schneller Si-Fotodetektor und ein digitales Oszilloskop zeichneten die Impulsfolge während der Experimente auf.

Zur Modellierung des Laserbetriebs und der Dynamik der Ausgangsimpulse wurde eine numerische Analyse basierend auf den Laserratengleichungen und der Verlust-Gewinn-Gleichgewichtsbedingung angewendet. In Yb:YAG ist die Lebensdauer der Unterebenen zu kurz; Daher ist es sinnvoll, ein System mit zwei Energieniveaus zur Modellierung des Lasermechanismus in diesem aktiven Medium in Betracht zu ziehen. Unter Berücksichtigung der Absorption/Emission bei der Pump-/Laserwellenlänge können die folgenden gekoppelten Differentialgleichungen angewendet werden35

Dabei ist \(\tau_{f}\) die Lebensdauer des oberen Laserniveaus, Ip die Pumpleistungsdichte auf der Scheibe, h die Plancksche Konstante und \({v}_{L/P}\) die Frequenz von Laser-/Pumpphotonen. Außerdem ist \(N_{2}\) die Populationsdichte auf der oberen Laserebene, \(I_{r}\) ist die Leistungsdichte innerhalb des Resonators, \(l_{d}\) und \({N}_ {tot}\) sind die Scheibendicke bzw. die Yb-Ionendichte im aktiven Medium. Die Größe \({\sigma }_{abs/em}^{L}\) ist der Absorptions-/Emissionsquerschnitt bei der Laserwellenlänge. Außerdem ist \(M\) die Anzahl der Durchgänge der Laserstrahlung durch das aktive Medium während jedes Umlaufs im Resonator und L die effektive Länge des Resonators. Toc ist die Ausgangskopplerübertragung und lossint stellt den internen Verlust des Laserresonators dar. Die Absorptionseffizienz der Pumpstrahlung, \({\eta }_{abs}\), für ein \({M}_{p}\)-Passes-Pumpsystem ist gegeben durch36

Außerdem beschreibt \(dI_{f,eff} /dt\) die Startenergie für den Pulsaufbau. \({I}_{f,eff}\) ist die effektive Intensität der Fluoreszenzstrahlung durch die Scheibe, erhalten durch

Hier ist α der Teil der Fluoreszenzphotonen, der beim Impulsaufbau effizient genutzt wird, und wurde unter Berücksichtigung des \(M^{2}\)-Faktors des entworfenen Resonators und des Anteils der Fluoreszenzphotonen, die zum Laser beigetragen werden, geschätzt Schwingung27. Die Werte der in der numerischen Analyse verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um eine theoretische Untersuchung der experimentellen Ergebnisse zu ermöglichen, werden die gekoppelten Gleichungen verwendet. (1) und (2) wurden mithilfe der Runge-Kutta-Methode vierter Ordnung numerisch gelöst. Die Werte der in der numerischen Analyse verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 angegeben. Ein trapezförmiger Impulszug modellierte den modulierten Verlust des Laserresonators mit einer Anstiegszeit von 100 ns.

Die Leistungsmessung wurde während der Experimente mit zwei unterschiedlichen Leistungsmessgeräten durchgeführt. Der erste wurde für Leistungen unter 300 W mit einer Auflösung von 0,1 W und der zweite für mehr als 300 W mit einer Auflösung von 1 W verwendet. Die Wiederholungsrate der Impulsfolge wurde mit einer schnellen Fotodiode gemessen, die an einen angeschlossen war Oszilloskop, und dieses System kann die Wiederholungsrate mit einer Auflösung von viel besser als 1 Hz messen.

Bei höheren Wiederholungsraten wurde eine Aufspaltung der Energie der Laserausgangsimpulse beobachtet. Unter diesen Bedingungen besteht die Möglichkeit der Bildung unerwarteter Hochenergieimpulse, die die Festplatte beschädigen könnten. Daher betrachteten wir eine selbstdefinierte Variation der Pulsamplitude einer Pulsfolge um 10 % als Grenze der Instabilität. Dies bedeutet, dass der Laser als instabil galt und die entsprechenden Pulsdaten nicht gemeldet wurden, wenn auf dem Oszilloskop eine Variation der Pulsamplitude von mehr als 10 % beobachtet wurde. Darüber hinaus wurden alle Experimente unter der Bedingung durchgeführt, dass der Energiefluss innerhalb des Hohlraums auf der Scheibenoberfläche geringer war als die laserinduzierte Schadensschwelle (LIDT) (~ 3 J/cm2) der Scheibe. Dadurch wird eine mögliche Beschädigung der Festplatte vermieden.

In den Experimenten wurden drei verschiedene OCs mit Reflexionsvermögen von 90 %, 93 % und 95 % verwendet. Wie wir zeigen werden, wird durch die Entwicklung des OC-Reflexionsvermögens (ROC) ein stabiler Betrieb des Lasers bei höheren Wiederholungsraten möglich. Dadurch erhöht sich die aus dem aktiven Medium entnehmbare Durchschnittsleistung. Der Übersichtlichkeit halber haben wir in diesem Artikel die Abkürzung frep für die Wiederholungsrate verwendet.

Abbildung 2 zeigt die Pulsenergie und die Zeitdauer im Vergleich zur Wiederholungsrate für drei verschiedene OC-Reflexionsgrade. Die experimentellen Ergebnisse für drei verschiedene Pumpleistungen wurden vorgestellt. Bei allen Pumpleistungen nimmt die Energie der Ausgangsimpulse mit der Wiederholungsrate ab. Die höchste Pulsenergie von 57,1 mJ wurde bei der Wiederholfrequenz von 1,00 kHz erreicht, als die einfallende Leistung 520 W betrug. Sie ist erheblich höher als zuvor berichtete Pulsenergie in gütegeschalteten Yb:YAG-TDLs13.

Die Energie und Impulsbreite der Ausgangsimpulse als Funktion der Wiederholungsrate bei einer Pumpleistung von (a,d) 520 W, (b,e) 620 W und (c,f) 1090 W.

Die Ergebnisse von Abb. 2 zeigen, dass die Abhängigkeit der Pulsenergie vom OC-Reflexionsvermögen nur bei ausreichend hohen Wiederholungsraten und niedrigen Pumpleistungen ausgeprägt ist. Die Pulsbreite nimmt mit der Wiederholrate für alle Pumpleistungen und alle OCs zu. Natürlich ist dieser Effekt bei geringeren Pumpleistungen stärker spürbar. Das wichtigste Ergebnis ist, dass sich die Bifurkationsgrenze mit zunehmendem OC-Reflexionsvermögen zu höheren Wiederholungsraten bewegt. Es sollte erwähnt werden, dass sich bei der Pumpleistung von 1090 W die Energie und die Pulsbreite des Lasers für die OC-Reflexionsgrade von 93 und 95 % nicht wesentlich unterscheiden.

Das Verhältnis der gepulsten zur durchschnittlichen CW-Leistung ist ein Schlüsselparameter, der die Fähigkeit angibt, effiziente Impulse aus dem Lasermedium zu erzeugen. In Abb. 3 wird dieser Parameter für drei OCs und zwei verschiedene Pumpleistungen verglichen. Bei allen untersuchten OCs nimmt der Leistungsverlust mit der Wiederholungsrate ab, und das OC mit einem Reflexionsgrad von 93 % weist ein höheres CW-zu-Puls-Umwandlungsverhältnis auf. Wir sehen, dass für beide Pumpleistungen die Wachstumsrate dieses Umwandlungsverhältnisses bei ausreichend hohen Wiederholungsraten abnimmt.

Das Verhältnis der gepulsten zu CW-Durchschnittsleistung im Vergleich zur Wiederholungsrate für verschiedene OCs und zwei Pumpleistungen von 520 und 620 W.

Das Ergebnis der numerischen Simulation für eine Pumpleistung von 520 W ist in Abb. 4 dargestellt. Die verwendeten Parameter wurden gemäß den experimentellen Bedingungen von Abb. 2a ausgewählt. Die Simulationen zeigen ein unregelmäßiges Verhalten der Pulsenergie oberhalb bestimmter Frequenzen. Oberhalb dieser spezifischen Wiederholungsrate wird die Laserpulsfolge instabil und es wird eine Multienergie-Pulsausgabe beobachtet. Ein ähnliches Verhalten wurde bei aktiv gütegeschalteten Faserlasern29, passiv gütegeschalteten Festkörperlasern37 und regenerativen Verstärkern38 berichtet.

Numerische Vorhersage der Energie der Impulse im Impulszug gegenüber der Wiederholungsrate für eine Pumpleistung von 520 W und drei verschiedene OC-Reflexionsgrade.

Ein Vergleich der numerischen Vorhersagen für den Frequenzbereich des stabilen Impulsbetriebs mit den Experimenten in Abb. 2 zeigt, dass die theoretischen und experimentellen Ergebnisse im Allgemeinen konsistent sind. Allerdings zeigt sich in den Experimenten das Bifurkationsverhalten bei etwas höheren Wiederholungsraten als in der Simulation. Es sollte erwähnt werden, dass der Laser bei höheren Wiederholungsraten mit einem OC-Reflexionsvermögen von 95 % im Vergleich zu den anderen OCs stabil arbeitet. Den Simulationsergebnissen zufolge verschiebt sich die Grenze der Instabilität bei jeder Pumpleistung in Richtung höherer Wiederholungsraten, wenn ein höheres OC-Reflexionsvermögen verwendet wird. Allerdings sagt das Modell höhere Pulsenergiewerte voraus, was auf Vereinfachungen zurückzuführen ist, die im theoretischen Modell berücksichtigt wurden, wie z. B. die Vernachlässigung der Temperaturabhängigkeit des Laserbetriebs39 und der Querverteilung des Laserprofils.

Abbildung 5 zeigt die Simulationsergebnisse für die Laserleistung bei einer Pumpleistung von 520 W, einer Wiederholungsrate von 4,5 kHz und einem ROC von 90 %. In dieser Abbildung sind die Populationsinversionsdichte und die Intensität innerhalb der Kavität sowie das gemessene Fotodiodensignal für ein ähnliches Laserexperiment wie in der Simulation dargestellt. Außerdem sind in der Abbildung neben der am AO-Modulator im Experiment angelegten Spannung auch die Modulationsverluste des Resonators aufgrund der Güteschaltung dargestellt. Unter diesen Betriebsbedingungen erzeugt der Laser zwei Kategorien von Impulsen, bei denen die kleinen Impulse vor den großen Impulsen emittiert werden (die kleinen Impulse sind im Maßstab von Abb. 5c nicht deutlich zu erkennen). Aus Abb. 5c geht hervor, dass im Experiment eine ähnliche Impulsfolge wie in der Simulation gemessen wurde, was auf eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment hinweist.

(a) Die zeitlichen Schwankungen der Populationsdichte auf der oberen Laserebene, (b) der Modulationsverlust und die berechnete Intensität innerhalb des Hohlraums und (c) die gemessenen Laserausgangsimpulse zusätzlich zu einer zum Antreiben des AO angelegten Beispiel-TTL-Spannung Zelle.

Um die maximale Durchschnittsleistung des Lasers bei höheren Pumpleistungsdichten zu erreichen, muss ein Kompromiss zwischen OC-Reflexionsfähigkeit und maximal zulässiger Wiederholungsrate gefunden werden. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass der Laser bei einer Pumpleistung von 1100 W für OCs-Reflexionsgrade von 90, 93 und 95 % stabil bis zu 10,40, 11,80 bzw. 12,30 kHz betrieben werden konnte. Unter der maximalen Pumpleistung von 1220 W steigen diese Werte auf nahezu 11,90, 13,25 bzw. 13,90 kHz. Darüber hinaus erzeugt der OC mit 93 % Reflektivität bei dieser Pumpleistung im Vergleich zu anderen OCs die maximale Ausgangsleistung. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden viele Experimente mit Pumpleistungen von bis zu 1220 W und für drei verschiedene OCs durchgeführt und die Laserausgangseigenschaften aufgezeichnet.

Abbildung 6 zeigt die Abhängigkeit der gemessenen Pulsenergie von der Pumpleistung (Abb. 6a) und der Wiederholungsrate (Abb. 6b) für drei OCs-Reflexionsgrade von 90, 93 und 95 %. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Abhängigkeit der Pulsstabilitätsgrenze vom Reflexionsvermögen von OCs. Wie beispielsweise in Abb. 6b gezeigt, wird im Fall von 90 % OC und einer Pumpleistung von 1220 W die Aufteilung der Pulsenergie in der Nähe von 11,0 kHz beobachtet, während dieser Wert bei 93 % OC in der Nähe von 12,0 kHz liegt.

(a) Die Energie der Ausgangsimpulse als Funktion der Pumpleistungsdichte für verschiedene Wiederholungsraten und OC-Koppler. (b) Die Pulsenergie als Funktion der Wiederholungsrate für verschiedene OCs und bei einer Pumpleistung von 1220 W.

Den Simulations- und Versuchsergebnissen zufolge wurde die maximale Durchschnittsleistung des Lasers durch OC mit einem Reflexionsvermögen von 93 % erzeugt. Natürlich hat die Verwendung von OC mit einer geringeren Transmission bei stabilem Betrieb des Lasers den Nachteil, dass die Effizienz abnimmt. In Abb. 6b wurde die Abhängigkeit der Pulsenergie von Frep für verschiedene OCs bei der maximalen Pumpleistung von 1220 W verglichen. Wir sehen, dass beide OCs von 93 und 95 % die gleiche Stabilitätsgrenze aufweisen, die die endgültige Frequenz der Güteschaltung bestimmt. Da die Laserenergie für 93 % OC maximal war, wurden die Eigenschaften des Lasers für diesen Fall im Detail bestimmt und die Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt.

Abbildung 7 zeigt die Impulsbreitenschwankungen im Vergleich zur Q-Switching-Wiederholungsrate für einige Pumpleistungen für das OC-Reflexionsvermögen von 93 %. Wie in dieser Abbildung dargestellt, beträgt die Dauer der Impulse etwa eine Mikrosekunde und nimmt mit der Wiederholungsrate zu, insbesondere bei niedrigeren Wiederholungsraten. Mit der Pumpleistung nimmt auch die Pulsweite ab. Dieses Verhalten macht sich bei niedrigeren Wiederholungsraten bemerkbar, bei denen die Pulsenergie hoch ist. Wenn die einfallende Pumpleistung tatsächlich kleiner als die Sättigungsleistung wird, hängt die Impulszeitdauer stark von der Pumpintensität ab. Dies ist hauptsächlich auf die Zunahme der Besetzungsinversion und die Verringerung der Impulsanstiegszeit der Güteschaltung zurückzuführen. Bei höheren Pumpleistungsniveaus, bei denen das Pumpen nahezu die Sättigung erreicht, zeigt die Pulsdauer eine geringere Abhängigkeit von der Wiederholungsrate, was ein bekanntes Verhalten bei gütegeschalteten Lasern ist. Tatsächlich sehen wir bei einer Pumpleistung von mehr als 1000 W einen moderaten Stopp bei der Erhöhung der Impulsbreite bei Wiederholungsraten von mehr als 11,0 kHz.

Die Variation der zeitlichen Breite der Ausgangsimpulse gegenüber der Güteschalt-Wiederholungsrate für verschiedene Pumpleistungen. Das OC-Reflexionsvermögen betrug 93 %.

Darüber hinaus wurde beobachtet, dass sich die Pulsbreite mit zunehmender OC-Transmission ändert. Der Unterschied zwischen den mit 93 % und 95 % OC gemessenen Werten ist jedoch unbedeutend. Bemerkenswerterweise stimmen die beobachteten Trends mit früheren Berichten über das Verhalten der Pulszeitdauer unter verschiedenen Ableitungsbedingungen von gütegeschalteten Lasern überein13,17. Bemerkenswerterweise wurde die maximale Durchschnittsleistung unter der Pumpleistung von 1220 W und mit einem 93 %-Ausgangsspiegel erreicht.

Abbildung 8 zeigt die durchschnittliche Laserleistung im Vergleich zur Wiederholungsrate für verschiedene Pumpleistungen und mit einem OC-Reflexionsvermögen von 93 %. Die maximale durchschnittliche Leistung wurde bei zwei Pumpleistungen von 1180 und 1220 W erreicht. Im Fall von Ppump = 1180 W betrug die durchschnittliche Leistung zwischen den Wiederholungsraten von 9,50 und 10,5 kHz 403 W, und die Laserpulse sind für verschiedene stabil Wiederholraten bis zu 10,5 kHz. Oberhalb von 10,5 kHz sank die durchschnittliche Leistung jedoch leicht auf etwa 380 W, und es begann ein instabiles Pulsregime. Durch die Erhöhung der Pumpleistung auf 1220 W wurden stabile Impulse bis zur Wiederholrate von 12,0 kHz erreicht.

Die durchschnittliche Leistung des Lasers im Vergleich zur Wiederholungsrate für zwei verschiedene Pumpdichten mit einem ROC von 93 %.

Die maximale Durchschnittsleistung von 403 W scheint ein Rekord zu sein, der von einem gütegeschalteten Dünnscheibenlaser erzielt wurde. Die Ausgangsstabilität des Lasers ist bei hohen Wiederholraten, bei denen der Unterschied der Pulsamplituden weniger als ± 10 % beträgt, recht gut, wie in Abb. 9 dargestellt.

Das Laserausgangssignal bei einer Frequenz von 12,0 kHz für eine Pumpleistung von 1220 W und einen ROC von 93 %. Einschub: Einzelimpuls-Zeitprofil, das anzeigt, dass die Impulsdauer etwa 1,25 µs beträgt.

Das Design, die Optimierung und die Eigenschaften eines AO gütegeschalteten Yb:YAG-Dünnscheibenlasers mit einem neuen Rekord der maximalen Durchschnittsleistung von 403 W wurden vorgestellt. Die Grenze der Pulsenergieinstabilität wurde sowohl im Experiment als auch in der Simulation für verschiedene Betriebsbedingungen bestimmt. In beiden Fällen wurde festgestellt, dass der Laser bei höheren Wiederholungsraten stabil betrieben werden kann, wenn der Wert der Ausgangstransmission kontrolliert wird. Drei OCs mit einem Reflexionsgrad von 90, 93 und 95 % wurden verwendet, um den Laser bei höheren Frequenzen zu betreiben und die durchschnittliche Ausgangsleistung zu maximieren. Die Eigenschaften der Laserleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurden bestimmt.

Die Zeitdauer des Ausgangsimpulses betrug etwa eine Mikrosekunde, die mit der Wiederholungsrate zunimmt und mit der Pumpleistungsdichte abnimmt. Die maximale Durchschnittsleistung von 403 W wurde bei einer Wiederholungsrate von 12,0 kHz und einer Pumpleistung von 1220 W und OC mit 93 % Reflexionsvermögen aufgezeichnet. Die maximale Pulsenergie von 57 mJ wurde bei einer Wiederholrate von 1,00 kHz gemessen. Darüber hinaus steigt die Umwandlung von CW in gepulste Leistung mit der Wiederholungsrate, wobei der höchste Wert immer für das Ausgangsreflexionsvermögen von 93 % auftritt. Die präsentierten experimentellen Ergebnisse stimmen mit den Simulationsergebnissen basierend auf den Geschwindigkeitsgleichungen überein.

Die Ergebnisse dieser Studie ebnen den Weg für die Entwicklung eines einfachen und wirtschaftlichen gepulsten Industrielasers mit hoher Durchschnittsleistung auf Basis von TDL-Oszillatoren. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse bei der Skalierung der Durchschnittsleistungen von gütegeschalteten Einzeloszillator-Festkörperlasern mit guter Strahlqualität auf der Grundlage kommerzieller Dünnscheiben-Verstärkungsmodule sehr vielversprechend sein.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Saeed Radmard und Ahmad Moshai

Iranisches Nationales Zentrum für Laserwissenschaft und -technologie, Postfach 14665-576, Teheran, Iran

Kaveh Pasandideh

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SR und KP und AM haben zur Entstehung der Idee dieser Arbeit beigetragen. SR und KP haben die Experimente durchgeführt und bei den Simulationen zusammengearbeitet. SR, KP und AM haben das Manuskript erstellt und alle Autoren haben es überprüft. AM hat diese Forschung betreut.

Korrespondenz mit Ahmad Moshai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Radmard, S., Moshaii, A. & Pasandideh, K. Gütegeschalteter Yb:YAG-Dünnscheibenlaser mit durchschnittlicher Leistung von 400 W. Sci Rep 12, 16918 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20917-x

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Eingegangen: 20. Juni 2022

Angenommen: 20. September 2022

Veröffentlicht: 08. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20917-x

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