BR102013005031B1

BR102013005031B1 - HIGH EFFICIENCY LASER AMPLIFIER DEVICE, POWER SCALABILITY AND FUNDAMENTAL MODE OPERATION USING TWO OPTICAL BEAM WITHIN THE GAIN MEDIUM

Info

Publication number: BR102013005031B1
Application number: BR102013005031-8A
Authority: BR
Inventors: Niklaus Ursus Wetter
Original assignee: Comissão Nacional De Energia Nuclear
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2021-06-01
Also published as: BR102013005031A2

Abstract

dispositivo amplificador laser eficiente de alta escalabilidade em potência utilizando dois feixes dentro do meio de ganho para controle do modo laser fundamental. amplificador laser com feixe óptico passando duas vezes pela região de ganho com certo grau de sobreposição. o caminho percorrido pelo feixe óptico dentro da região de ganho é calculado de tal maneira que o feixe varre boa parte do volume de ganho para aferir alta eficiência ao amplificador e, ao mesmo tempo, impede a oscilação de modos ópticos de ordem mais alta para aferir alta qualidade ao feixe laser. adicionalmente a geometria do dispositivo permite a colocação de múltiplas fontes de bombeamento o que afere a ele uma escalabilidade em potência.High power scalability efficient laser amplifier device utilizing two beams within the gain medium to control the fundamental laser mode. laser amplifier with optical beam passing twice through the gain region with some degree of overlap. the path taken by the optical beam within the gain region is calculated in such a way that the beam sweeps much of the gain volume to measure the amplifier's high efficiency and, at the same time, prevents the oscillation of higher order optical modes to measure high quality laser beam. additionally, the device's geometry allows the placement of multiple pumping sources, which gives it a power scalability.

Description

TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

A presente invenção se refere a um dispositivo amplificador laser de alta eficiência, escalabilidade em potência e operação em modo fundamental em que o feixe óptico passa duas vezes pela região de ganho com certo grau de sobreposição. O caminho percorrido pelo feixe óptico dentro da região de ganho é calculado de tal maneira que o feixe varre boa parte do volume de ganho para aferir alta eficiência ao amplificador e, ao mesmo tempo, impede a oscilação de modos ópticos de ordem mais alta para aferir alta qualidade ao feixe laser. Adicionalmente, a geometria do dispositivo permite a colocação de múltiplas fontes de bombeamento o que afere a ele uma escalabilidade em potência. O dispositivo amplificador laser resultante tem aplicação potencial nas áreas de saúde, de processamento de materiais e nuclear.The present invention relates to a laser amplifier device of high efficiency, power scalability and fundamental mode operation in which the optical beam passes twice through the gain region with a certain degree of overlap. The path taken by the optical beam within the gain region is calculated in such a way that the beam sweeps much of the gain volume to measure the amplifier's high efficiency and, at the same time, prevents the oscillation of higher order optical modes to measure high quality laser beam. Additionally, the device's geometry allows the placement of multiple pumping sources, which gives it a power scalability. The resulting laser amplifier device has potential application in the healthcare, materials processing and nuclear fields.

FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

Lasers de estado sólido são compostos basicamente por três componentes: um bloco de material que é o meio ativo, espelhos que são responsáveis pela amplificação da luz gerada pelo meio ativo e uma fonte de bombeamento que provê a energia absorvida dentro do meio ativo. O meio ativo - geralmente um cristal ou um vidro hospedeiro dopado com um tipo de íon ativo - é responsável pela absorção da luz proveniente da fonte de bombeamento e pela inversão de população que permite a geração de fótons estimulados. Tradicionalmente, as fontes de bombeamento são lâmpadas do tipo “flash” que, em conjunto com meios dopados com o íon ativo neodímio, geram uma eficiência de tipicamente 3% (conversão de energia luminosa da lâmpada em energia luminosa do laser). O meio ativo dopado com neodímio é o mais utilizado atualmente, dadas as suas características favoráveis em termos de eficiência. Com o invento dos lasers de semicondutor houve um aumento de eficiência muito grande devido ao fato que este tipo de laser emite luz numa banda de frequência estreita, quando comparada com a lâmpada, casando bem com a banda de absorção igualmente estreita do íon ativo. As melhores eficiências para o bombeamento de cristais de neodímio com diodo são da ordem de 30% até 65% dependendo do cristal hospedeiro.Solid-state lasers are basically composed of three components: a block of material that is the active medium, mirrors that are responsible for amplifying the light generated by the active medium, and a pumping source that provides the energy absorbed into the active medium. The active medium - usually a crystal or a host glass doped with a type of active ion - is responsible for the absorption of light from the pumping source and for the population inversion that allows the generation of stimulated photons. Traditionally, pump sources are “flash” type lamps which, together with media doped with the active ion neodymium, generate an efficiency of typically 3% (conversion of light energy from the lamp into laser light energy). The active medium doped with neodymium is currently the most used, given its favorable characteristics in terms of efficiency. With the invention of semiconductor lasers there was a very large increase in efficiency due to the fact that this type of laser emits light in a narrow frequency band, when compared to the lamp, matching well with the equally narrow absorption band of the active ion. The best efficiencies for pumping neodymium diode crystals are in the order of 30% to 65% depending on the host crystal.

Os lasers de estado sólido bombeados por diodo semicondutor caem basicamente em duas classes: lasers bombeados longitudinalmente e lasers bombeados transversalmente. Na primeira classe, o feixe de bombeamento e o feixe laser produzido pelo meio ativo são mais ou menos colineares e geraknente com secção circular. Na segunda classe, o feixe de bombeamento e o feixe laser propagam em direções ortogonais, sendo que o feixe de bombeamento corriqueiramente tem uma secção em formato retangular com razão de aspecto em torno de 100 para 1.Semiconductor diode-pumped solid-state lasers fall basically into two classes: longitudinally-pumped lasers and transversely-pumped lasers. In the first class, the pumping beam and the laser beam produced by the active medium are more or less collinear and generally circular in section. In the second class, the pumping beam and laser beam propagate in orthogonal directions, and the pumping beam usually has a rectangular-shaped section with an aspect ratio around 100 to 1.

Os lasers bombeados longitudinalmente permitem um alto grau de sobreposição entre os dois feixes o que gera uma série de grandes vantagens deste tipo de arranjo laser. Em primeiro lugar, uma boa sobreposição garante que praticamente toda a potência de bombeamento seja aproveitada pelo laser. Em segundo lugar, é fácil obter um modo espacial laser de alta qualidade que seja limitado por difração: utilizando uma óptica especial, é possível fazer com que o feixe de bombeamento seja circular e com distribuição espacial de potência próxima ao modo TEM00 (modo que pode ser limitado por difração e que é o modo de mais alta qualidade óptica) do laser. Do outro lado, o bombeamento longitudinal permite essencialmente a utilização de apenas dois feixes de bombeamento: um na entrada e outro na saída do feixe do meio ativo. Já o bombeamento transversal permite a utilização de muitos diodos de bombeamento uma vez que se pode dispor estes diodos ao longo do meio ativo e não somente na entrada e na saída. Portanto, o bombeamento longitudinal apresenta limites em termos de potência do laser uma vez que para um bombeamento excessivamente forte e intenso, o aquecimento local causado pela absorção leva a uma fratura do cristal. Mesmo bem abaixo do limite de fratura, o gradiente térmico causado pela absorção representa um problema. Os efeitos termo-ópticos causam fortes distorções no feixe e induzem uma lente térmica no meio ativo em função da potência de bombeamento.Longitudinally pumped lasers allow a high degree of overlap between the two beams, which generates a series of great advantages of this type of laser arrangement. First, good overlap ensures that virtually all pumping power is utilized by the laser. Second, it is easy to obtain a high-quality laser spatial mode that is diffraction-limited: using special optics, it is possible to make the pumping beam circular and with spatial power distribution close to the TEM00 mode (mode that can be limited by diffraction and that is the highest optical quality mode) of the laser. On the other hand, longitudinal pumping essentially allows the use of only two pumping beams: one at the entrance and one at the exit of the active medium beam. Transverse pumping, on the other hand, allows the use of many pumping diodes since these diodes can be placed along the active medium and not only at the input and output. Therefore, longitudinal pumping has limits in terms of laser power since for an excessively strong and intense pumping, local heating caused by absorption leads to a fracture of the crystal. Even well below the fracture limit, the thermal gradient caused by absorption poses a problem. Thermo-optical effects cause strong distortions in the beam and induce a thermal lens in the active medium as a function of the pumping power.

Os lasers transversalmente bombeados permitem aliviar estes efeitos pelo fato que a potência de bombeamento pode ser distribuída ao longo do cristal. Porém, eles não conseguem gerar com facilidade feixes limitados por difração pelo fato que a absorção não esteja colinear com o feixe laser. A energia absorvida e não aproveitada pelo modo TEM00 pode dar início à oscilação de modos superiores. Adicionalmente, o bombeamento transversal causa um gradiente térmico mais complexo do que o bombeamento longitudinal cujo gradiente térmico costuma ser quadrático e ter simetria radial e, portanto, é de mais fácil correção. O objetivo desta invenção é de combinar a boa eficiência e a boa qualidade de feixe do bombeamento longitudinal com a alta potência e simplicidade de arranjo do bombeamento transversal.Transversely pumped lasers make it possible to alleviate these effects by the fact that the pumping power can be distributed along the crystal. However, they cannot easily generate diffraction-limited beams because the absorption is not collinear with the laser beam. The energy absorbed and not used by the TEM00 mode can trigger the oscillation of higher modes. Additionally, transverse pumping causes a more complex thermal gradient than longitudinal pumping, whose thermal gradient is usually quadratic and has radial symmetry and, therefore, is easier to correct. The aim of this invention is to combine the good efficiency and beam quality of longitudinal pumping with the high power and simplicity of arrangement of transverse pumping.

Para quantificar a qualidade de um modo laser é utilizado o parâmetro M2 (M quadrado). A melhor qualidade de feixe, correspondendo ao feixe limitado por difração tem M2 igual à unidade. Feixes piores em termos de qualidade têm M2 maior. Consideremos daqui em diante feixe de qualidade bom um feixe no modo TEM00, ou seja, com M2 de 1 até 1,5.To quantify the quality of a laser mode, the parameter M2 (M squared) is used. The best beam quality, corresponding to the diffraction-limited beam, has M2 equal to unity. Worst beams in terms of quality have higher M2. From now on, let us consider a beam of good quality as a beam in TEM00 mode, that is, with M2 from 1 to 1.5.

Existem diversas configurações para melhorar a qualidade do modo do feixe laser no bombeamento transversal. Podemos separar novamente estas configurações em duas classes.There are several settings to improve the laser beam mode quality in transverse pumping. We can again separate these configurations into two classes.

Uma classe força a ocorrência do modo de alta qualidade através da introdução de perdas maiores para os modos de ordem superior (com M2 acima de 1,5). São geralmente dispositivos que criam uma abertura espacial (como uma fenda ou uma íris) que é grande o suficiente para permitir a passagem do modo gaussiano e ao mesmo tempo pequeno o suficiente para causar perdas para os modos superiores. A desvantagem destes dispositivos é que normalmente causam também perdas para o modo gaussiano. Um exemplo típico é a patente US5485482A1 na qual a espessura do cristal é tão pequena que apenas o modo TEM00 pode ser acomodado sem maiorès perdas. Outro exemplo consiste em forçar o modo TEM00 através de um ressonador que tem perdas de difração para modos maiores nos outros componentes ópticos que não o meio ativo para e depois passar este modo várias vezes através da região de ganho fazendo assim uma varredura da região de ganho. Neste caso é o ressonador o responsável pela escolha do modo TEM00 e modos superiores são eliminados por perdas no ressonador [US5774489],One class forces the occurrence of high quality mode by introducing higher losses for the higher order modes (with M2 above 1.5). These are generally devices that create a spatial aperture (such as a slit or iris) that is large enough to allow the Gaussian mode to pass and at the same time small enough to cause losses to higher modes. The disadvantage of these devices is that they usually cause losses for Gaussian mode as well. A typical example is patent US5485482A1 in which the crystal thickness is so small that only the TEM00 mode can be accommodated without major losses. Another example is to force the TEM00 mode through a resonator that has diffraction losses to higher modes in the optical components other than the active medium to and then pass this mode several times through the gain region thus scanning the gain region . In this case, the resonator is responsible for choosing the TEM00 mode and higher modes are eliminated by losses in the resonator [US5774489],

A outra classe de dispositivos causa uma favorecimento do modo TEM00 através de um ganho maior para este modo em relação aos modos superiores (as perdas são basicamente as mesmas para modos maiores). É nesta classe que a presente invenção se situa. Fazem parte desta segunda classe muitas configurações que utilizam cristais compostos, geralmente fabricados através da união por difusão. Esta técnica permite a colagem de fatias de material dopado com material puro (sem dopagem). A fatia de material dopada no centro, entre duas fatias puras, é tão fina que apenas o modo TEM00 consegue uma boa sobreposição com a inversão de população e, portanto, será este modo que apresenta o maior ganho e, por consequência, oscila. A mesma filosofia esta por trás de bastões ou discos compostos que utilizem um núcleo dopado dentro de uma casca de material hospedeiro puro.The other class of devices causes a favoring of the TEM00 mode through a greater gain for this mode in relation to higher modes (the losses are basically the same for higher modes). It is in this class that the present invention falls. This second class includes many configurations that use composite crystals, generally manufactured through diffusion bonding. This technique allows you to glue slices of doped material with pure material (no doping). The slice of material doped in the center between two pure slices is so thin that only the TEM00 mode achieves a good overlap with population inversion and therefore it is this mode that has the greatest gain and therefore oscillates. The same philosophy is behind composite sticks or discs that utilize a doped core within a shell of pure host material.

Outra maneira consiste em criar um modo TEM00 tão grande que ele engloba praticamente todo volume bombeado ou pelo menos tão grande que o remanescente volume invertido não seja suficiente para permitir a oscilação de um modo maior [W02004006395A1, W02007129069A2]. Estes dispositivos necessitam geralmente de óptica cilíndrica ou telescópica para criar os feixes fortemente assimétricos necessários para cobrir todo volume de ganho.Another way is to create a TEM00 mode so large that it encompasses practically all the volume pumped or at least so large that the remaining inverted volume is not enough to allow the oscillation of a larger mode [W02004006395A1, W02007129069A2]. These devices generally require cylindrical or telescopic optics to create the strongly asymmetrical beams needed to cover the entire gain volume.

Ainda outra maneira de causar um favorecimento do modo TEM00 através de um ganho maior para este modo em relação aos modos superiores utiliza o fato de que existe competição pelo ganho quando dois ou mais feixes propagam lado ao lado e com certo grau de sobreposição entre as suas secções transversais por dentro da região de ganho [PI0801122-2]. Se o grau de sobreposição e a largura do feixe forem escolhidos corretamente, o modo de ordem mais alto não é capaz de obter um ganho líquido (ganho menos perdas) maior do que o modo fundamental. Entretanto, neste caso ainda existe espaço para uma determinada configuração começar a oscilar no limiar laser, ou perto do limiar laser, em modos superiores e apenas depois, em altas potências de bombeamento, começa a emitir o modo fundamental TEM00.Yet another way to favor the TEM00 mode through a greater gain for this mode in relation to the higher modes uses the fact that there is competition for the gain when two or more beams propagate side by side and with a certain degree of overlap between their cross sections within the gain region [PI0801122-2]. If the degree of overlap and the beamwidth are chosen correctly, the higher order mode is not able to obtain a net gain (gain minus losses) greater than the fundamental mode. However, in this case there is still room for a certain configuration to start oscillating at the laser threshold, or close to the laser threshold, in higher modes and only then, at high pumping powers, does it start to emit the fundamental mode TEM00.

Diferentemente do estado da técnica, a presente invenção permite que o modo TEM00 seja o primeiro a oscilar no limiar laser e garante alta eficiência laser e escalabilidade em potência.Unlike the prior art, the present invention allows the TEM00 mode to be the first to oscillate in the laser threshold and guarantees high laser efficiency and power scalability.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

A descrição da invenção faz referência às seguintes figuras:The description of the invention refers to the following figures:

A FIGURA 1 ilustra a reflexão interna total na face de bombeamento do meio ativo para garantir que o modo TEM00 seja o primeiro a oscilar no limiar laser para baixa potência de bombeamento.FIGURE 1 illustrates the total internal reflection on the pumping face of the active medium to ensure that the TEM00 mode is the first to oscillate at the laser threshold for low pumping power.

A FIGURA 2 ilustra o gráfico que demonstra o produto do coeficiente de absorção efetivo do bombeamento pelo cristal pelo raio do feixe dentro do cristal.FIGURE 2 illustrates the graph showing the product of the effective absorption coefficient of pumping by the crystal and the beam radius within the crystal.

A FIGURA 3 ilustra o gráfico da potência de bombeamento em função da distância entre dois feixes e da transmissão do espelho de saída.FIGURE 3 illustrates the graph of pumping power as a function of the distance between two beams and the transmission of the output mirror.

A FIGURA 4 apresenta um dos arranjos laser de bombeamento lateral objeto da invenção.FIGURE 4 shows one of the lateral pumping laser arrangements object of the invention.

A FIGURA 5 apresenta um segundo arranjo laser de bombeamento lateral que abrange um dispositivo com três cristais separados, bombeados por três diodos semicondutores dentro de um mesmo ressonador.FIGURE 5 shows a second side-pumping laser arrangement that comprises a device with three separate crystals, pumped by three semiconductor diodes inside the same resonator.

A FIGURA 6 apresenta um terceiro arranjo laser de altíssima potência que engloba um conjunto de diodos do tipo “diode stack’.FIGURE 6 shows a third very high power laser array that includes a set of diode stack type diodes.

A presente invenção faz uso de três técnicas que juntamente garantem alta eficiência laser, operação em modo TEM00 e escalabilidade em potência: (a) A reflexão interna total na face de bombeamento do meio ativo; (b) A utilização de duas passagens do feixe pela face de bombeamento, sendo que a posição dos dois feixes e o seu tamanho são precisamente controlados através dos parâmetros da cavidade laser ou outros dispositivos que atingem o mesmo fim; (c) A otimização desta geometria em função dos parâmetros espectroscópicos do meio ativo e da fonte de bombeamento.The present invention makes use of three techniques that together guarantee high laser efficiency, operation in TEM00 mode and power scalability: (a) The total internal reflection on the pumping face of the active medium; (b) The use of two beam passes through the pumping face, the position of the two beams and their size being precisely controlled through the parameters of the laser cavity or other devices that achieve the same end; (c) The optimization of this geometry as a function of the spectroscopic parameters of the active medium and pumping source.

A primeira técnica garante que para baixa potência de bombeamento, no limiar laser, o modo TEM00 sempre é o primeiro a oscilar. Este feito se obtém através de uma reflexão interna total (3) na face de bombeamento (5) do meio ativo (6), conforme FIGURA 1. Desta maneira, o centro do modo laser oscilante (8) fica exposto na superfície de bombeamento (5) na hora da reflexão (3). Como a inversão de população (7), que é responsável pelo ganho e, portanto, eficiência do laser, é maior quanto mais perto se chega á superfície (5), o centro do feixe recebe o ganho maior durante a reflexão. Acorrtece que o modo TEMOO é o modo de maior densidade de potência no centro entre todos os modos existentes e normalizados em potência. Portanto, em casos que a área ocupada pela reflexão interna total coincide com a área de incidência do feixe de bombeamento, sempre o modo TEM00 será o primeiro a oscilar. Isto pode ser demonstrado matematicamente e é demonstrado na FIGURA 2. Nesta figura o eixo horizontal representa valores do produto de alpha com w, aonde alphaé o valor do coeficiente de absorção efetivo do bombeamento pelo cristal (medido em 1/cm) e w é o raio do feixe dentro do cristal (medido em cm). O eixo vertical corresponde ao limiar de bombeamento para inicio da oscilação laser em modo TEM00 (PthOO) divido pelo limiar de bombeamento para inicio da oscilação laser no próximo modo superior, TEM10 (Pth10). A informação do gráfico é que para todos os coeficientes de absorção e todos tamanhos de feixe no local da reflexão o limiar de oscilação laser para o TEM00 sempre é menor do que para modos superiores.The first technique ensures that for low pumping power, at the laser threshold, the TEM00 mode is always the first to oscillate. This feat is achieved through a total internal reflection (3) on the pumping face (5) of the active medium (6), as shown in FIGURE 1. In this way, the center of the oscillating laser mode (8) is exposed on the pumping surface ( 5) at the time of reflection (3). As population inversion (7), which is responsible for the gain and, therefore, laser efficiency, is greater the closer it gets to the surface (5), the center of the beam receives the greatest gain during reflection. It turns out that the TEMOO mode is the mode with the highest power density in the center among all the existing and normalized power modes. Therefore, in cases where the area occupied by the total internal reflection coincides with the area of incidence of the pumping beam, the TEM00 mode will always be the first to oscillate. This can be demonstrated mathematically and is shown in FIGURE 2. In this figure the horizontal axis represents values of the product of alpha with w, where alpha is the value of the effective absorption coefficient of pumping by the crystal (measured in 1/cm) and w is the radius of the beam inside the crystal (measured in cm). The vertical axis corresponds to the pump threshold for laser oscillation start in TEM00 mode (PthOO) divided by the pump threshold for laser oscillation start in the next higher mode, TEM10 (Pth10). The information from the graph is that for all absorption coefficients and all beam sizes at the reflection site the laser oscillation threshold for TEM00 is always lower than for higher modes.

A segunda técnica garante que mesmo com um aumento da potência de bombeamento nenhum modo superior começa a oscilar, FIGURA 1. Para este fim o feixe intra-cavidade (1) que sofreu reflexão interna (3) é enviado uma segunda vez (2) para a face de bombeamento (5) do meio de ganho (6) e sofre nela novamente uma reflexão interna total (4). Os dois feixes são separados lateralmente na direção do feixe de bombeamento por uma distância D tal que existe um grau de sobreposição entre eles de maneira que modos mais altos não obtém um ganho liquido mais alto que o fundamental. Adicionalmente, os dois modos em conjunto devem cobrir praticamente todo volume de ganho invertido (7) a tal ponto que mesmo para potências de bombeamento alto não existe sobra de volume invertido suficiente para permitir a oscilação de modos de ordem mais altos [PI 0801122-2], Para este fim é necessário um ajuste do raio do feixe (w), da absorção do meio de ganho (alpha), da separação D entre os dois feixes e do ângulo de incidência (fi) na superfície de bombeamento.The second technique ensures that even with an increase in pumping power no higher mode starts to oscillate, FIGURE 1. For this purpose the intra-cavity beam (1) that has undergone internal reflection (3) is sent a second time (2) to the pumping face (5) of the gain means (6) and undergoes a full internal reflection therein again (4). The two beams are separated laterally in the direction of the pump beam by a distance D such that there is a degree of overlap between them so that higher modes do not obtain a net gain higher than the fundamental. Additionally, the two modes together must cover practically the entire inverted gain volume (7) to the point that even for high pumping powers there is not enough inverted volume leftover to allow the oscillation of higher order modes [PI 0801122-2 ], For this purpose it is necessary to adjust the beam radius (w), the absorption of the gain medium (alpha), the separation D between the two beams and the angle of incidence (fi) on the pumping surface.

A optimização é efetuada calculando a potência de saída de uma determinada configuração e o modo oscilante. Para calcular a potência de saída numa determinada configuração com ou sem sobreposição entre os feixes pode se utilizar a teoria de Kubodera e Otsuka [K. Kubodera and K. Otsuka, “Single-transverse-mode LiNdP^n slab waveguide laser”, J.. Appl. Phys. 50, 653-659 (1979)]. A mesma teoria permite calcular qual o modo que vai oscilar numa determinada configuração. Na FIGURA 3 podemos observar uma optimização em função da distância entre os dois feixes e da transmissão do espelho de saída. Numa determinada configuração que utiliza um espelho de saída de 10% de transmissão (curva tracejada) obtém-se um máximo de potência de saída do laser de 5,0539 watts ajustando a separação entre os dois feixes para 1,2 mm e ajustando a potência de bombeamento em aproximadamente 10 watts. Potências mais altas de bombeamento e separações entre os dois feixes que divergem do valor de 1,2 mm resultariam sempre em uma operação multimodo indesejável. Uma possível solução para obter mais potência de saída no modo TEM00 é utilizar um espelho de 20% de transmissão (curva sólida). Neste caso a potência de bombeamento pode subir até aproximadamente 19 watts para uma separação entre feixes de 1,2 mm e potência de saída atinge acima de 10,1 watts.Optimization is performed by calculating the output power of a given configuration and the oscillating mode. To calculate the output power in a given configuration with or without overlapping between the beams, the theory of Kubodera and Otsuka [K. Kubodera and K. Otsuka, “Single-transverse-mode LiNdP^n slab waveguide laser”, J.. Appl. Phys. 50, 653-659 (1979)]. The same theory allows you to calculate which mode will oscillate in a given configuration. In FIGURE 3 we can see an optimization as a function of the distance between the two beams and the transmission of the output mirror. In a certain configuration that uses a 10% transmission output mirror (dashed curve) a maximum laser output power of 5.0539 watts is obtained by adjusting the separation between the two beams to 1.2 mm and adjusting the power pumping output at approximately 10 watts. Higher pumping powers and separations between the two beams that diverge from the 1.2 mm value would always result in an undesirable multimode operation. A possible solution to get more output power in TEM00 mode is to use a 20% transmit mirror (solid curve). In this case the pumping power can rise up to approximately 19 watts for a beam separation of 1.2 mm and output power reaches above 10.1 watts.

EXEMPLIFICATION OF THE INVENTION Example 1

A presente invenção pode ser aplicada com grande vantagem em lasers com coeficiente de absorção mais baixo, mesmo abaixo de 10 cm’1. Para a demonstração prática número 1 desta invenção utilizamos um cristal (6) de Nd:YLF4 com dimensões de 13x13x3 mm com 1 mol% de neodímio, bombeado lateralmente por um diodo (9) de 40 watt em 792 nm conforme FIGURA 4. O diodo semicondutor é do tipo “barra de diodo” e tem uma área de emissão com 1 cm de largura e apenas em torno de um micrometro de altura. Uma lente esférica (10) focaliza a radiação de 792 nm para dentro do cristal, gerando na face de bombeamento (5) um foco de aproximadamente 4 mm x 0,1 mm nas direções z e y. A primeira passagem pelo cristal, feita pelo feixe (1), sofre refração na interface ar-cristal (11) em ângulo de Brewster para minimizar perdas por reflexão. Dentro do cristal, o feixe (1) experimenta uma reflexão interna total na face de bombeamento (5) e novamente refração em ângtrto de Brewster na face oposta (12). Os espelhos (13) é (14) são planos e o espelho (15) é esférico curvo.The present invention can be applied with great advantage in lasers with lower absorption coefficient, even below 10 cm’1. For practical demonstration number 1 of this invention we used a crystal (6) of Nd:YLF4 with dimensions of 13x13x3 mm with 1 mol% of neodymium, laterally pumped by a diode (9) of 40 watt at 792 nm as in FIGURE 4. The diode semiconductor is of the “diode bar” type and has an emission area 1 cm wide and only about one micrometer high. A spherical lens (10) focuses the 792 nm radiation into the crystal, generating on the pump face (5) a focus of approximately 4 mm x 0.1 mm in the z and y directions. The first pass through the crystal, made by the beam (1), is refracted at the air-crystal interface (11) at a Brewster angle to minimize reflection losses. Inside the crystal, the beam (1) experiences a full internal reflection on the pumping face (5) and again Brewster angle refraction on the opposite face (12). The mirrors (13) and (14) are flat and the mirror (15) is curved spherical.

Com um único feixe (1) passando pelo cristal, o feixe teria que ter uma dimensão na direção x de vários mm para obter ação laser no modo TEM00 para potências de bombeamento significativas. Escolhendo um raio de curvatura grande de 10 m para o espelho (15), calculamos que o feixe tem raio de 0,55 mm caso que a distância do cristal até os espelhos (14) e (15) seja 5 cm. Calculamos que o limiar de ação laser ocorre em 4,1 watt de potência de bombeamento no modo TEM00 e que em 5 watt, quando tem apenas 230 mW de potência de saída, já entra o modo superior TEM10.With a single beam (1) passing through the crystal, the beam would have to have a dimension in the x direction of several mm to obtain laser action in TEM00 mode for significant pumping powers. Choosing a large radius of curvature of 10 m for the mirror (15), we calculate that the beam has a radius of 0.55 mm if the distance from the crystal to the mirrors (14) and (15) is 5 cm. We calculate that the laser action threshold occurs at 4.1 watts of pumping power in the TEM00 mode and that at 5 watts, when there is only 230 mW of output power, the upper mode TEM10 is already entered.

Colocando um espelho plano adicional (13) e perfazendo um segundo passo (2) pelo cristal, o feixe tem um diâmetro de 0,51 mm se a distância até o espelho curvo (15) com raio de curvatura de 3 m for 2 cm e até os espelhos (13) e (14) for de 10 cm e 10,5 cm, respectivamente. Obtemos ação monomodo (TEM00) em toda a extensão de potências de bombeamento do diodo (40 W). A distância entre os dois feixes (23) D é de aproximadamente 1,4 mm.By placing an additional flat mirror (13) and making a second step (2) through the crystal, the beam has a diameter of 0.51 mm if the distance to the curved mirror (15) with a radius of curvature of 3 m is 2 cm and until the mirrors (13) and (14) are 10 cm and 10.5 cm, respectively. We obtain single-mode action (TEM00) across the full range of diode pumping powers (40 W). The distance between the two beams (23) D is approximately 1.4 mm.

A eficiência óptica-para-óptica deste arranjo pode atingir 53,7 % o que é maior do que qualquer outro laser de Nd:YLF bombeado em torno de 800 nm, seja bombeio longitudinal ou lateral.The optical-to-optical efficiency of this array can reach 53.7% which is higher than any other Nd:YLF laser pumped around 800 nm, whether it is a longitudinal or lateral pump.

Example 2

Para potências de bombeamento ainda maiores podem ocorrer fraturas na face de bombeamento do cristal. Isto a principio inviabiliza um aumento da potência de bombeamento. Porém, devido à geometria deste arranjo, é possível a escalabilidade em potência.For even higher pumping powers, fractures can occur on the pumping face of the crystal. This at first makes it impossible to increase the pumping power. However, due to the geometry of this arrangement, power scalability is possible.

A FIGURA 5 descreve um dispositivo que engloba três cristais separados bombeados por três diodos semicondutores dentro de um mesmo ressonador. Cada um dos três conjuntos pode ser equivalente ao conjunto descrito na FIGURA 4. O paralelismo dos dois feixes pode ser mantido substituindo o espelho (15) da FIGURA 4 por um prisma de ângulo de 90 graus (17) na FIGURA 5, ou outro dispositivo que garante o paralelismo.FIGURE 5 depicts a device comprising three separate crystals pumped by three semiconductor diodes within the same resonator. Each of the three sets may be equivalent to the set described in FIGURE 4. The parallelism of the two beams can be maintained by replacing the mirror (15) of FIGURE 4 with a 90 degree angle prism (17) in FIGURE 5, or other device that guarantees the parallelism.

Example 3

Na FIGURA 6 podemos observar um exemplo de um arranjo laser de altíssima potência. Um único meio ativo (6) é bombeado por diodos empilhados chamados de “diode stack’(19). Um conjunto de diodos do tipo “diode stack” (19) pode apresentar até milhares de watts de potência. Em um exemplo bastante adequado para esta aplicação este “stack’consiste em três pilhas de barras de diodo, cada uma destas pilhas contendo 2-4 barras (19). O feixe de bombeamento proveniente do diode stacké colimado através de um conjunto de lentes (18) para criar um foco de 4 mm de largura e, dependendo do número de barras em cada pilha, de 01, até 0,3 mm de altura dentro do meio de ganho (6). Um segundo “stack” (20) é colocado na face oposta de bombeamento do meio ativo (6) de tal maneira que o foco coincide com as reflexões internas nesta face, como, por exemplo, em (3).In FIGURE 6 we can see an example of a very high power laser array. A single active medium (6) is pumped by stacked diodes called a “stack diode”(19). A set of diode stack type diodes (19) can have up to thousands of watts of power. In a very suitable example for this application, this “stack” consists of three stacks of diode bars, each of these stacks containing 2-4 bars (19). The pump beam from the stack diode is collimated through a set of lenses (18) to create a 4 mm wide focus and, depending on the number of bars in each stack, from 01 to 0.3 mm high inside the means of gain (6). A second “stack” (20) is placed on the opposite pumping face of the active medium (6) in such a way that the focus coincides with the internal reflections on this face, as, for example, in (3).

Claims

1. HIGH EFFICIENCY LASER AMPLIFIER DEVICE, POWER SCALABILITY AND FUNDAMENTAL MODE OPERATION USING TWO OPTICAL BEAM INSIDE THE GAIN MEANS, characterized by using an active medium (6), consisting of Nd:YLF4 with dimensions of 13 x 13 x 3 mm3 with 1mol% neodymium; a semiconductor diode pumping source (9), with emission area 1 cm wide and 1 cm high and pumping power of 40W at 792 nm, with said pumping being lateral; and for using three techniques that together allow achieving an optical efficiency of the laser array of up to 54%, consisting of: a) Total internal reflection (3) on the pumping face (5) of a solid-state laser medium doped with (6) , whose dimensions of thickness, width and length and whose active ion concentration are optimized in terms of efficiency and output power, ensuring that for pumping power at the laser threshold, the TEM00 mode is always the first to oscillate; b) Use of two passes of the laser beam through (5) within the gain region of (6) as described in (a), in positions laterally displaced from each other in the direction of the optical pumping, for which the intra beam -cavity (1) that undergoes total internal reflection (3) is sent a second time (2) to (5) within the gain region of (6) and undergoes a new total internal reflection in it (4). c) Optimization of said two optical beams generated as per (b) in relation to the spectroscopic and geometric characteristics of (6), as described in (a), and of the pumping source (9), whose geometric area and emission spectrum are optimized in terms of absorption by (6), as described in (a), in such a way that the laser has increased efficiency in the operating regime for which it is designed, calculating the output power and oscillating mode as a function of the distance between said optical beams, their size, the output mirror transmission and the pumping power, such that a spherical lens (10) focuses the radiation into the active medium (6) generating on the pumping face ( 5) a focus, where the first pass of the beam (1) through (6) is refracted at the air-crystal interface (11) within (6) and experiences total internal reflection (3) in (5) and refraction again on the opposite face (12); using an additional mirror (13) and making a second step (2) by (5) within (6), the beam has a diameter of 0.51 mm, with a distance to the curved mirror (15) of 2 cm, having (15) radius of curvature of 3 m, distance to the mirrors (13) and (14) of 10 cm and 10.5 cm, respectively, and distance between the two beams (23) of up to 1.4 mm, emitting the laser beam with output power of up to hundreds of watts and oscillating mode with TEM 00 quality.

2. LASER AMPLIFIER DEVICE, according to claim 1, characterized in that the pumping power can be increased almost unlimitedly through the configuration of an arrangement of said laser device with lateral addition of one or more active means (6) and more than one semiconductor diode pumping source (9), measuring power scalability to said device.

3. LASER AMPLIFIER DEVICE, according to claim 2, characterized in that it employs three separate active means (6) that are pumped by a pumping source of three semiconductor diodes (9) within the same resonator, keeping the two beams in parallel, replacing the mirror (15) with a 90-degree angle prism (17), or another device that ensures parallelism.

4. LASER AMPLIFIER DEVICE, according to claim 2, characterized in that it employs a single active medium (6) pumped by two diode stacks (19) and (20), consisting of three diode bar stacks, each stack containing 2 to 4 bars, the pump beam coming from (19) is collimated through a set of lenses (18) to create a focus 4 mm wide and up to 0.3 mm high within the active medium (6 ) and (20) is placed on the opposite pumping face of the active medium (6) in such a way that the focus coincides with the internal reflections (3) on this face.