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

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Che cosa 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 vengono eccitati a livelli energetici più elevati, possono emettere fotoni di una particolare lunghezza d'onda quando tornano a uno stato energetico inferiore. Questo processo amplifica la luce che attraversa il mezzo, il che è fondamentale per il funzionamento del laser.

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Qual è il guadagno medio usuale?

Il mezzo di guadagno può essere variato, includendogas, liquidi (coloranti), solidi(cristalli o vetri drogati con ioni di terre rare o 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 terre rare. I laser a coloranti 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 energetico 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 rientra nella regione sicura per la vista ed è molto utile per le applicazioni di telecomunicazione grazie alla sua bassa perdita nelle fibre ottiche (Gong et al., 2016).

- Yb: l'itterbio emette spesso da 1,0 a 1,1 µm, il che lo rende adatto a un'ampia gamma di applicazioni, inclusi laser e amplificatori ad alta potenza. L'itterbio viene spesso utilizzato come sensibilizzatore per l'ernio (Ernio) per migliorare l'efficienza dei dispositivi drogati con Ernio trasferendo energia da Yb a Ernio.

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

Meccanismi di trasferimento energetico:

- 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 di pompaggio e trasferendo energia agli ioni Er, portando a un'emissione amplificata nella banda delle telecomunicazioni. Questo trasferimento di energia è cruciale per il funzionamento degli amplificatori in fibra drogati con Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

- Nd: il Nd in genere non richiede un sensibilizzatore come lo Yb nei sistemi drogati con Er. L'efficienza del Nd deriva dall'assorbimento diretto della luce di pompaggio e dalla successiva emissione, rendendolo un mezzo di guadagno laser semplice ed efficiente.

Applicazioni:

- Ehm:Utilizzato principalmente nelle telecomunicazioni grazie alla sua emissione a 1,55 µm, che coincide con la finestra di minima perdita 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.

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

- Nd: Adatti a 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 di realizzare laser compatti ed efficienti in grado di produrre fasci di alta qualità nello spettro visibile-infrarosso. Per un articolo dettagliato, si consiglia di consultare banche dati scientifiche o case editrici affidabili per recensioni complete sulla tecnologia laser DPSS.

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

1. Elevata efficienza e potenza in uscita: La progettazione e le simulazioni di un modulo laser Nd:YAG a pompaggio laterale a diodo hanno dimostrato un'efficienza significativa, con un laser Nd:YAG a pompaggio laterale a diodo che fornisce una potenza media massima di 220 W mantenendo costante l'energia per impulso in un'ampia gamma di frequenze. Ciò indica l'elevata efficienza e il potenziale di elevata potenza dei laser Nd:YAG quando pompati da diodi (Lera et al., 2016).
2. Flessibilità operativa e affidabilità: È stato dimostrato che le ceramiche Nd:YAG funzionano in modo efficiente a diverse lunghezze d'onda, comprese quelle non dannose per la vista, con un'elevata efficienza ottica-ottica. 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 diodo ad alta efficienza ne ha sottolineato la longevità e la costanza delle prestazioni, indicando l'idoneità del Nd:YAG per applicazioni che richiedono sorgenti laser durevoli e affidabili. Lo studio ha riportato un funzionamento prolungato con oltre 4,8 x 10^9 impulsi senza danni ottici, mantenendo un'eccellente qualità del fascio (Coyle et al., 2004).
4. Funzionamento a onda continua altamente efficiente:Studi hanno dimostrato l'elevata efficienza del funzionamento a onda continua (CW) dei laser Nd:YAG, evidenziandone l'efficacia come mezzo di guadagno nei sistemi laser pompati a diodo. Ciò include il raggiungimento di elevate efficienze di conversione ottica e di slope, a ulteriore conferma dell'idoneità del Nd:YAG per applicazioni laser ad alta efficienza (Zhu et al., 2013).

La combinazione di elevata efficienza, potenza in uscita, flessibilità operativa, affidabilità, longevità ed eccellente qualità del fascio rendono Nd:YAG il 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-switch compatto, efficiente e sicuro per gli occhi a 1525 nm con un cristallo Nd:YVO4 a doppia estremità con legame di diffusione come mezzo auto-Raman. Optics Express, 17(6), 4330-4335.

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

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV e Butov, O. (2023). Modello sperimentale del mezzo di guadagno Er/Yb per amplificatori in fibra e laser. Journal of the Optical Society of 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 e sicuro per gli occhi, operante a 1442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P. e Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG pompato a diodo, efficiente, affidabile e di lunga durata per l'altimetria topografica della vegetazione da spazio. Applied Optics, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D. e Duan, Y. (2013). Laser ceramici Nd:YAG a onda continua ad alta efficienza a 946 nm. Laser Physics Letters, 10.

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