BRPI0801122B1

BRPI0801122B1 - Dispositivo amplificador óptico otimizado em qualidade de feixe laser e eficiência

Info

Publication number: BRPI0801122B1
Application number: BRPI0801122-2A
Authority: BR
Inventors: Niklaus Ursus Wetter
Original assignee: Cnen - Comissão Nacional De Energia Nuclear
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2019-05-14
Also published as: BRPI0801122A2

Abstract

dispositivo amplificador óptico otimizado em qualidade de feixe laser e eficiência. a invenção se refere a um amplificador óptico do tipo laser com o feixe óptico passando diversas vezes pela região de ganho com certo grau de sobreposição. os caminhos percorridos pelo feixe óptico dentro da região de ganho e o número de passos são calculados 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.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO DA PATENTE DE INVENÇÃO “DISPOSITIVO AMPLIFICADOR ÓPTICO OTIMIZADO EM QUALIDADE DE FEIXE LASER E EFICIÊNCIA”

Introdução

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 15 utilizado atualmente dado 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.

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 geralmente 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 tomo de 100 para 1.

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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 5 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 TEMOO (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 10 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 15 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.

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 TEMOO pode dar início à oscilação de modos superiores. Adicionalmente, o 25 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.

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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 TEMOO, ou seja, com M2 de 1 até 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: uma classe que força a ocorrência do modo de alta qualidade através da introdução de perdas maiores para os modos de ordem superior 10 (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 15 na qual a espessura do cristal é tão pequena que apenas o modo TEMOO pode ser acomodado sem maiores perdas. Outro exemplo consiste em forçar o modo TEMOO

Ob 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 TEMOO e modos superiores são eliminados por perdas no ressonador [US5774489].

A outra classe de dispositivos causa uma favorecimento do modo TEMOO 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 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 TEMOO 30 consegue uma boa sobreposição com a inversão de população e, portanto, será este modo que apresenta o maior ganho e por conseqüência oscila. A mesma filosofia esta

4/9 atrás de bastões ou discos compostos que utilizem um núcleo dopado dentro de uma casca de material hospedeiro puro.

Outra maneira consiste em criar um modo TEMOO tão grande que ele engloba praticamente todo volume bombeado ou pelo menos tão grande que o 5 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.

Descrição da invenção

A presente invenção utiliza o fato 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. Feixes com secções transversais maiores e propagando pelo mesmo caminho, sofrem sobreposição maior. 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. Isto se deve porque embora o modo superior possa talvez englobar um volume bombeado maior, geralmente também tem perdas maiores. A segunda razão é que volumes pequenos de ganho são mais bem aproveitados por feixes pequenos que tem intensidade maior para uma mesma potência, ou seja, o ganho do

feixe de menor secção transversal e maior. Portanto, caso que o modo TEMOO varre toda a região de ganho, ele sempre terá mais ganho do que um feixe de ordem mais alto, passando pelo mesmo caminho.

Desta maneira pode se conceber ressonadores onde o feixe no modo de alta qualidade passa diversas vezes pela região de ganho do meio ativo, que pode ter um 25 volume expressivamente maior do que o volume de um feixe, sempre com certo grau de sobreposição entre os feixes, de tal maneira que os modos superiores são eliminados. Os feixes não precisam ser paralelos e o bombeamento pode ser tanto longitudinal como transversal.

Para obter uma discriminação efetiva dos modos superiores e uma alta eficiência do laser é importante que a varredura englobe praticamente toda região de

5/9 ganho. Principalmente em casos que as perdas dos modos superiores não são maiores do que do modo fundamental, é necessário que este varra toda região de ganho.

Exemplificação da invenção

A FIGURA 1 descreve um arranjo típico de bombeamento transversal em um amplificador óptico. O cristal (1) é bombeado transversalmente pelo diodo (2). O feixe de bombeamento pode ser formatado por um sistema ótico (3). Geralmente este sistema serve para diminuir a altura do feixe na direção (y) e focalizar o feixe pra dentro do meio ativo aonde é absorvido de forma exponencial em direção ao eixo (x) criando

K)

assim uma camada fina de população invertida que corresponde ao volume onde há ganho (4). O feixe laser (5) atravessa este volume transversalmente e é redirecionado (7) através de um espelho ou outro dispositivo óptico (6) para dentro da região excitada (4). Os feixes (5) e (7) sofrem sobreposição dentro da região excitada. O mesmo feixe pode passar mais vezes através da região excitada de forma a se sobrepor com um ou mais feixes dentro da região de ganho. Por exemplo, através de um segundo espelho (8) o 15 feixe experimenta uma terceiro passo através do meio ativo, sofrendo novamente sobreposição com o feixe (7). Opcionalmente tem um espelho (12) na face oposta (11) à face de bombeamento para devolver radiação de bombeamento que não foi absorvida no primeiro passo pelo cristal.

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 LiNdP4O]2 slab waveguide laser”, J..

Appl. Phys. 50, 653-659 (1979)]. A mesma teoria permite calcular qual o modo que vai oscilar numa determinada configuração. Em todos os cálculos utilizamos as mesmas perdas para todos os modos.

Exemplo 1

Para a demonstração número 1 desta invenção utilizamos um cristal de NdiYLF (lmol% de neodímio) em uma configuração igual aquela descrito na FIGURA 1. O diodo (2) de 20 watt em 792 nm passa por uma lente esférica (3) de 2,5 cm de distância focal e incide no cristal (1) lateralmente. A secção transversal do feixe de bombeamento na face de bombeamento (10) do cristal é aproximadamente 4 mm na direção (z) e 60 micrometros na direção (y). O coeficiente efetivo de absorção na

6/9 direção (x) é de 5 por centímetro. As dimensões do cristal (1) são 4x2x20 mm³ nas direções x, y e z. Outras dimensões podem ser empregadas e o cristal pode ser bombeado tanto longitudinal quanto transversalmente. No caso de bombeamento transversal, consegue se uma distribuição homogênea de inversão de população (4) no 5 plano xy colocando um espelho (12) que reflete o bombeamento que passa pelo cristal e sai pala face oposta (11) novamente para dentro do cristal [US5774489J. O cálculo demonstra que com um único feixe (5) no modo fundamental (M2=l) com diâmetro de 1 milímetro passando no centro do cristal sempre oscilará em um modo de ordem superior. Ao aumentar o número de feixes para três feixes, (5), (7), e (9) podemos 10 observar uma leve sobreposição entre os feixes que permite a oscilação do modo fundamental apenas com baixíssima potência de saída de até 200 mW. Para potências de bombeamento maiores entrará um modo superior. Conforme observado na FIGURA 2, para quatro feixes eqüidistantes, o laser iniciará a oscilação no modo fundamental (linha sólida), (15), com 2,8 watts de bombeamento. Com 5,2 watts de bombeamento entra o 15 modo superior TEM10 (linha pontilhada), (16), depois que o laser chegou a emitir 1,8 watt no modo fundamental. A linha tracejada (17) representa a simulação do próximo modo superior, TEM20, que não chega a oscilar no intervalo de potências de bombeamento a vista na FIGURA 2. Em outra simulação com 5 feixes, conforme

I\

FIGURA 3, o laser permanece no modo fundamental até a potência máxima de

bombeamento de 20 watt. Nesta última configuração, o primeiro (5) e último (13) feixe estão a 0,3 mm da borda do cristal, caso que os feixes sejam eqüidistantes para melhor varrer o volume de bombeamento, o que pode ser conseguido através de uma reflexão interna total na borda (14).

É importante notar que a presente invenção pode ser aplicada também aos lasers com bombeamento longitudinal. A FIGURA 4 demonstra uma possível aplicação com dois diodos em configuração de bombeamento longitudinal.

Exemplo 2

A presente invenção se presta muito bem para os atuais e modernos lasers chamados de lasers com feixe em incidência rasante e reflexão interna total [M. J.

Damzen, M. Trew, E. Rosas, G. J; Crofts, Opt. Comm. 196, 237-241 (2001); Minassian, B. Thompson, M. J. Damzen, Appl. Phys. B 76, 341-343 (2003); F. He, M. Gong, L.

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Huang, Q. Liu, Q. Wang, X. Yan, Appl. Phys. B 86, 447-450 (2007)]. Os meios ativos (1) utilizados para este fim têm alta secção de choque de absorção e coeficiente de absorção da ordem de 30 cm'¹, fazendo com que a absorção é concentrada na superfície de bombeamento (10) (ver FIGURA 5). Para conseguir passar o feixe laser (5) perto da região de máxima inversão de ganho, é utilizada uma reflexão interna total na face de bombeamento (10). Embora o feixe (5) aproveita bem o ganho na borda (10), ele não consegue aproveitar o restante do volume de ganho (4) mais adentro do cristal (1). Por este motivo é geralmente utilizada uma óptica cilíndrica ou então espelhos (6,8) cilíndricos para deixar o feixe na direção (x) com dimensão grande de vários milímetros. Além de aproveitar todo o volume de ganho (4), esta técnica também permite obter em certos casos a oscilação do feixe (5) no modo TEMOO. Porém óptica cilíndrica é difícil de alinhar (porque o alinhamento deve ocorrer em 3 eixos), custa caro e pode ser difícil de encontrar.

A presente invenção permite óptica comum e de fácil alinhamento. Através de um segundo passo (7) dentro do cristal (1), é conseguido uma sobreposição bem calculada entre os dois feixes (5) e (7) de tal modo que apenas o modo TEMOO oscila. Para a demonstração número 2 desta invenção utilizamos um cristal (1) de Nd:YVO4 com 1.1 at.% de neodímio e dimensões de 22x5x2 mm³ bombeado lateralmente por um diodo (2) de 50 watt em 808 mn. Uma lente cilíndrica (3) é utilizada para focalizar a radiação do diodo dentro do cristal. O espelho de saída (6) tem uma transmissão de 36% e o espelho de fundo (8) um raio de curvatura de 50 cm. Conforme FIGURA 6a, com um único passo através do cristal (5) obtemos 22 watt de potência de saída para 34,9 watt de entrada. Este resultado representa a mais alta eficiência angular já reportada para cristais de neodímio. Para mais altas potências de bombeamento a lente térmica deteriora rapidamente o desempenho do laser. Porém a qualidade do feixe é ruim, apresentando um M2 de apenas 24,6 por 10,4 nas direções x e y. Conforme FIGURA 6b, com um segundo passo (7) através do meio ativo obtemos 17 watt de potência de saída para 45 watt de potência de bombeamento. E a qualidade do feixe é modo fundamental.

Na FIGURA 7 encontram se os resultados para as condições do posicionamento dos dois feixes (5) e (7), para obter uma sobreposição tal que somente o

8/9 modo TEMOO oscila. O que podemos observar é que existem intervalos muito estreitos de parâmetros para obter modo TEMOO até o máximo de potência de bombeamento.

Para um feixe de raio 0,6 mm e uma distância entre feixes no centro do cristal de 0,8 mm, o ângulo deve ser maior que 5 graus e menor que 8 graus (FIGURA 7A) e a distância entre feixes deve ser no mínimo 0,75 mm e no máximo 0,9 mm (FIGURA

7B). As condições ficam mais brandas para feixes com diâmetros maiores (FIGURA 7C).

Exemplo 3

A presente invenção pode ser aplicada com grande vantagem em lasers com coeficiente de absorção mais baixo, mesmo abaixo de 10 cm¹. Para a demonstração número 3 desta invenção utilizamos novamente um cristal (1) de Nd:YLF4 com dimensões de 13x13x2 mm³ bombeado lateralmente por um diodo (2) de 22 watt em 792 nm conforme FIGURA 8. Uma lente esférica (3) focaliza a radiação de

792 nm para dentro do cristal, gerando na face de bombeamento (10) um foco de aproximadamente 4 mm x 0,1 mm nas direções z e y. A primeira passagem pelo cristal, feita pelo feixe (5), sofre refração na interface ar-cristal (21) em ângulo de Brewster para minimizar perdas por reflexão. Dentro do cristal, o feixe (5) experimenta uma reflexão interna total na face de bombeamento e novamente refração em ângulo de

Brewster na face oposta (22). Os espelhos (6) e (20) são planos e o espelho (8) é

esférico curvo.

Com um único feixe (7) passando pelo cristal, o feixe teria que ter uma dimensão na direção x de vários mm para obter ação no modo TEMOO para potências de bombeamento significativas. Escolhendo um raio de curvatura grande de 10 m para o espelho (8), calculamos que o feixe tem raio de 0,55 mm caso que a distância do cristal até os espelhos (8) e (20) seja 5 cm. Calculamos que o limiar de ação laser ocorre em

4,1 watt de potência de bombeamento no modo TEMOO e que em 5 watt, quando tem apenas 230 mW de potência de saída, já entra o modo superior TEM10.

Colocando um espelho plano adicional (6) e perfazendo um segundo passo (5) pelo cristal, o feixe tem o mesmo diâmetro de 0,55 mm se a distância até o espelho curvo (8) com raio de curvatura de 3 m for 5 cm e até os espelhos (6) e (20) for

9/9 de 10 cm e 10,5 cm, respectivamente. Obtemos ação monomodo (TEM00) em toda a extensão de potências de bombeamento do diodo (20 W).

Novamente os parâmetros da geometria são importantes para obter este desempenho. Na FIGURA 9 são mostrados resultados experimentais da máxima 5 potência de bombeamento que permite ainda oscilação no modo TEM00 antes que o feixe vira modo TEM 10 como uma função da distância entre os feixes no centro do cristal (23). Pode-se observar uma concordância muito boa entre a simulação (linha) e os resultados experimentais (pontos). Para distância (23) entre 1,4 mm e 1,6 mm entre os dois feixes (5) e (7) podemos utilizar o máximo de potência de bombeamento do 10 diodo (20 W) e ainda oscilar no modo TEM00.

Se na mesma cavidade um espelho (8) de 10 m de raio de curvatura for utilizado, o raio do feixe dentro do cristal será maior e a potência de bombeamento pode atingir 50 W conforme simulação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo amplificador óptico de qualidade de feixe laser e eficiência, caracterizado pelo fato de produzir até 200mW de potência de saída e compreender:

a) Um cristal (1) dopado com neodímio que é bombeado transversalmente por um laser de diodo semicondutor (2), o qual possui absorção no espectro entre 792 nm e 808 nm;

b) Uma lente esférica ou cilíndrica (3) de 2,5 cm de distância focal, que faz o feixe de bombeamento incidir em (1), lateralmente, causando inversão de população, correspondente ao volume de ganho ou região excitada (4);

c) Um feixe laser (5) que atravessa (4) e é redirecionado para resultar no feixe (7), através de um espelho (8), para dentro de (4), ocorrendo sobreposição calculada entre (5) e (7), de tal modo que o modo fundamental TEM00 oscila;

d) Um segundo espelho (20) de fundo, através do qual o feixe (7) é refletido nele mesmo e atravessa (1), sofrendo uma nova sobreposição com (5), funcionando o dispositivo amplificador óptico como oscilador laser;

e) Um espelho (6) totalmente refletor através do qual o feixe (9) atravessa (1), sofrendo uma nova sobreposição com (7).
2. Dispositivo, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo cristal (1) compreender Nd:YLF com 1 mol% de neodímio e dimensões de 4 x 2 x 20 mm³; Nd:YVO4 com 1,1 at. % de neodímio e dimensões de 22 x 5 x 2 mm³; e Nd:YLF4, com dimensões de 13 x 13 x 2 mm³, nas direções x, y e z, respectivamente.
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o espelho (20) parcialmente transmissor para o feixe (7) refletir o dito feixe (7) na direção de

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2/3 (8) e criar nova sobreposição com (5), em vez de (9), funcionando o dispositivo amplificador óptico como oscilador laser.
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um espelho (12) ser usado para refletir o feixe de bombeamento que sai pela face oposta (11) à face de bombeamento (10) e devolver para (4) a radiação que não foi absorvida por (1).
5. Dispositivo, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por possuir na região de inversão (4) quatro ou cinco feixes laser equidistantes (5), (7), (9), (11) e (13), sendo este último conseguido através de uma reflexão interna total (14) de (5) na borda de (10).
6. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a reflexão interna total acontece na região de inversão (4) e que a lente (3) e os espelhos (6) e (8) são cilíndricos, sendo (3) utilizada para focalizar a radiação de (2) dentro de (1); (6) tem uma transmissão de 36% e (8) um raio de curvatura de 50 cm, obtendo-se 22 W de saída para 34,9 W de entrada.
7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, com o feixe (7) através de (1), obtém-se 17 W de potência de saída no modo TEM00 para 45 W de potência de bombeamento.
8. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a lente (3) e o espelho (8) são esféricos e os espelhos (6) e (20) são planos, sendo que (3) incide dentro de (1) gerando em (10) um foco de 4 mm x 0,1 mm, nas direções z e y; os feixes (5) e (7) sofrem refração nas interfaces ar-cristal (21) e (22) em ângulo de Brewster tal que tem perda por reflexão diminuída; e (5) e (7) sofrem uma reflexão interna total em (10) na região de inversão de população (4).

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9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os feixes (5) e (7), ao passar por (1), escolhendo-se o raio de curvatura de 3 m para o espelho (8), (5) e (7) tem raio de 0,55 mm e a distância entre (1) e (8) é de 5 cm, adicionalmente, se a distância até os espelhos (6) e (20) forem de 10 cm e 10,5 cm, respectivamente, obtendo-se o modo laser fundamental TEM00 para a potência de bombeamento de até 20 W;
10. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato que o bombeamento pode ser alternativamente longitudinal.