Novità - Perché utilizziamo il cristallo Nd:YAG come mezzo di guadagno nel laser DPSS?

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Cos'è un mezzo di guadagno laser?

Un mezzo di guadagno laser è un materiale che amplifica la luce mediante emissione stimolata. Quando gli atomi o le molecole del mezzo sono eccitati a livelli energetici più elevati, possono emettere fotoni di una particolare lunghezza d'onda quando ritornano a uno stato energetico inferiore. Questo processo amplifica la luce che passa attraverso il mezzo, che è fondamentale per il funzionamento del laser.

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Qual è il solito mezzo di guadagno?

Il mezzo di guadagno può essere variato, inclusogas, liquidi (coloranti), solidi(cristalli o vetri drogati con ioni di terre rare o di metalli di transizione) e semiconduttori.Laser a stato solido, ad esempio, utilizzano spesso cristalli come Nd:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio) o vetri drogati con elementi delle terre rare. I laser a colorante utilizzano coloranti organici disciolti in solventi, mentre i laser a gas utilizzano gas o miscele di gas.

Barre laser (da sinistra a destra): Rubino, Alessandrite, Er:YAG, Nd:YAG

Le differenze tra Nd (neodimio), Er (erbio) e Yb (itterbio) come mezzi di guadagno

riguardano principalmente le lunghezze d'onda di emissione, i meccanismi di trasferimento di energia e le applicazioni, soprattutto nel contesto dei materiali laser drogati.

Lunghezze d'onda di emissione:

- Er: l'erbio emette tipicamente a 1,55 µm, che si trova nella regione sicura per gli occhi ed è molto utile per le applicazioni di telecomunicazioni grazie alla sua bassa perdita nelle fibre ottiche (Gong et al., 2016).

- Yb: l'itterbio emette spesso da 1,0 a 1,1 µm, rendendolo adatto per un'ampia gamma di applicazioni, inclusi laser e amplificatori ad alta potenza. Yb è spesso usato come sensibilizzatore per Er per migliorare l'efficienza dei dispositivi drogati con Er trasferendo energia da Yb a Er.

- Nd: i materiali drogati al neodimio emettono tipicamente circa 1,06 µm. Nd:YAG, ad esempio, è rinomato per la sua efficienza ed è ampiamente utilizzato sia nei laser industriali che in quelli medici (Y. Chang et al., 2009).

Meccanismi di trasferimento di energia:

- Co-drogaggio di Er e Yb: il co-drogaggio di Er e Yb in un mezzo ospite è vantaggioso per migliorare l'emissione nell'intervallo 1,5-1,6 µm. Yb agisce come un efficiente sensibilizzatore per Er assorbendo la luce della pompa e trasferendo energia agli ioni Er, portando ad un'emissione amplificata nella banda delle telecomunicazioni. Questo trasferimento di energia è cruciale per il funzionamento degli amplificatori in fibra drogata con Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

- Nd: Nd in genere non richiede un sensibilizzante come Yb nei sistemi drogati con Er. L'efficienza di Nd deriva dal suo assorbimento diretto della luce della pompa e dalla successiva emissione, rendendolo un mezzo di guadagno laser semplice ed efficiente.

Applicazioni:

- Ehm:Utilizzato principalmente nelle telecomunicazioni per la sua emissione a 1,55 µm, che coincide con la finestra di perdita minima delle fibre ottiche in silice. I mezzi di guadagno drogati con Er sono fondamentali per amplificatori ottici e laser nei sistemi di comunicazione in fibra ottica a lunga distanza.

- Sì:Spesso utilizzato in applicazioni ad alta potenza grazie alla sua struttura elettronica relativamente semplice che consente un efficiente pompaggio di diodi e un'elevata potenza in uscita. I materiali drogati con Yb vengono utilizzati anche per migliorare le prestazioni dei sistemi drogati con Er.

- Non: Adatto per un'ampia gamma di applicazioni, dal taglio e saldatura industriale ai laser medicali. I laser Nd:YAG sono particolarmente apprezzati per la loro efficienza, potenza e versatilità.

Perché abbiamo scelto Nd:YAG come mezzo di guadagno nel laser DPSS

Un laser DPSS è un tipo di laser che utilizza un mezzo di guadagno a stato solido (come Nd: YAG) pompato da un diodo laser a semiconduttore. Questa tecnologia consente laser compatti ed efficienti in grado di produrre raggi di alta qualità nello spettro dal visibile all'infrarosso. Per un articolo dettagliato, potresti prendere in considerazione la ricerca in database scientifici o editori affidabili per recensioni complete sulla tecnologia laser DPSS.

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Nd:YAG è spesso utilizzato come mezzo di guadagno nei moduli laser pompati a semiconduttore per diversi motivi, come evidenziato da vari studi:

1. Alta efficienza e potenza in uscita: La progettazione e le simulazioni di un modulo laser Nd:YAG con pompaggio laterale a diodo hanno dimostrato un'efficienza significativa, con un laser Nd:YAG con pompaggio laterale a diodo che fornisce una potenza media massima di 220 W mantenendo un'energia costante per impulso in un ampio intervallo di frequenze. Ciò indica l’elevata efficienza e il potenziale di elevata potenza in uscita dei laser Nd:YAG quando pompati da diodi (Lera et al., 2016).
2. Flessibilità e affidabilità operativa: È stato dimostrato che le ceramiche Nd:YAG funzionano in modo efficiente a varie lunghezze d'onda, comprese le lunghezze d'onda sicure per la vista, con un'elevata efficienza ottico-ottico. Ciò dimostra la versatilità e l'affidabilità di Nd:YAG come mezzo di guadagno in diverse applicazioni laser (Zhang et al., 2013).
3. Longevità e qualità del fascio: La ricerca su un laser Nd:YAG pompato a diodi altamente efficiente ne ha sottolineato la longevità e le prestazioni costanti, indicando l'idoneità del Nd:YAG per applicazioni che richiedono sorgenti laser durevoli e affidabili. Lo studio ha riportato un funzionamento prolungato con più di 4,8 x 10^9 colpi senza danni ottici, mantenendo un'eccellente qualità del raggio (Coyle et al., 2004).
4. Funzionamento a onda continua altamente efficiente:Gli studi hanno dimostrato il funzionamento altamente efficiente a onda continua (CW) dei laser Nd:YAG, evidenziando la loro efficacia come mezzo di guadagno nei sistemi laser pompati a diodi. Ciò include il raggiungimento di elevate efficienze di conversione ottica ed efficienze di pendenza, attestando ulteriormente l’idoneità del Nd:YAG per applicazioni laser ad alta efficienza (Zhu et al., 2013).

La combinazione di alta efficienza, potenza in uscita, flessibilità operativa, affidabilità, longevità ed eccellente qualità del raggio rende Nd:YAG un mezzo di guadagno preferito nei moduli laser pompati a semiconduttore per un'ampia gamma di applicazioni.

Riferimento

Chang, Y., Su, K., Chang, H. e Chen, Y. (2009). Laser Q-switched compatto ed efficiente, sicuro per gli occhi, a 1525 nm con un cristallo Nd:YVO4 a doppia estremità legato per diffusione come mezzo auto-Raman. Optics Express, 17(6), 4330-4335.

Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., & Huang, Y. (2016). Crescita e proprietà spettroscopiche del cristallo Er:Yb:KGd(PO3)_4 come promettente mezzo di guadagno laser da 155 µm. Materiali ottici Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Modello sperimentale del mezzo di guadagno Er/Yb per amplificatori in fibra e laser. Giornale della Società Ottica d'America B.

Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J., & Roso, L. (2016). Simulazioni del profilo di guadagno e delle prestazioni di un laser QCW Nd:YAG con pompa laterale a diodi. Ottica applicata, 55(33), 9573-9576.

Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X., & Li, P. (2013). Laser ceramico Nd:YAG ad alta efficienza, sicuro per gli occhi, operante a 1442,8 nm. Lettere di ottica, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG pompato a diodi efficiente, affidabile e di lunga durata per l'altimetria topografica della vegetazione spaziale. Ottica applicata, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). Laser ceramici Nd:YAG a onda continua ad alta efficienza a 946 nm. Lettere di fisica del laser, 10.

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