Notícias - Por que estamos usando cristal Nd: YAG como meio de ganho no laser DPSS?

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O que é um meio de ganho de laser?

Um meio de ganho de laser é um material que amplifica a luz por emissão estimulada. Quando os átomos ou moléculas do meio são excitados para níveis de energia mais elevados, eles podem emitir fótons de um comprimento de onda específico ao retornar a um estado de energia mais baixo. Esse processo amplifica a luz que atravessa o meio, o que é fundamental para a operação do laser.

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Qual é o ganho médio usual?

O ganho médio pode ser variado, incluindogases, líquidos (corantes), sólidos(cristais ou vidros dopados com íons de terras raras ou metais de transição) e semicondutores.Lasers de estado sólido, por exemplo, frequentemente utilizam cristais como Nd:YAG (granada de ítrio e alumínio dopada com neodímio) ou vidros dopados com elementos de terras raras. Os lasers de corante utilizam corantes orgânicos dissolvidos em solventes, e os lasers de gás utilizam gases ou misturas de gases.

Barras de laser (da esquerda para a direita): Rubi, Alexandrita, Er:YAG, Nd:YAG

As diferenças entre Nd (Neodímio), Er (Érbio) e Yb (Itérbio) como meios de ganho

relacionam-se principalmente com seus comprimentos de onda de emissão, mecanismos de transferência de energia e aplicações, especialmente no contexto de materiais de laser dopados.

Comprimentos de onda de emissão:

- Er: O érbio normalmente emite a 1,55 µm, que está na região segura para os olhos e é altamente útil para aplicações de telecomunicações devido à sua baixa perda em fibras ópticas (Gong et al., 2016).

- Yb: O itérbio frequentemente emite cerca de 1,0 a 1,1 µm, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo lasers e amplificadores de alta potência. O Yb é frequentemente usado como um sensibilizador para Er, a fim de aumentar a eficiência de dispositivos dopados com Er, transferindo energia de Yb para Er.

- Nd: Materiais dopados com neodímio normalmente emitem cerca de 1,06 µm. O Nd:YAG, por exemplo, é conhecido por sua eficiência e amplamente utilizado em lasers industriais e médicos (Y. Chang et al., 2009).

Mecanismos de transferência de energia:

- Codopagem de Er e Yb: A codopagem de Er e Yb em um meio hospedeiro é benéfica para aumentar a emissão na faixa de 1,5-1,6 µm. O Yb atua como um sensibilizador eficiente para Er, absorvendo a luz bombeada e transferindo energia para íons Er, levando à emissão amplificada na banda de telecomunicações. Essa transferência de energia é crucial para a operação de amplificadores de fibra dopados com Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

- Nd: O Nd normalmente não requer um sensibilizador como o Yb em sistemas dopados com Er. A eficiência do Nd é derivada da absorção direta da luz bombeada e da emissão subsequente, tornando-o um meio de ganho de laser simples e eficiente.

Aplicações:

- É:Utilizado principalmente em telecomunicações devido à sua emissão a 1,55 µm, que coincide com a janela de perda mínima das fibras ópticas de sílica. Meios de ganho dopados com Er são essenciais para amplificadores ópticos e lasers em sistemas de comunicação de fibra óptica de longa distância.

- Yb:Frequentemente utilizado em aplicações de alta potência devido à sua estrutura eletrônica relativamente simples, que permite bombeamento eficiente de diodos e alta potência de saída. Materiais dopados com Yb também são usados para melhorar o desempenho de sistemas dopados com Er.

- Nd: Adequados para uma ampla gama de aplicações, desde corte e soldagem industriais até lasers médicos. Os lasers Nd:YAG são particularmente valorizados por sua eficiência, potência e versatilidade.

Por que escolhemos Nd:YAG como meio de ganho no laser DPSS

Um laser DPSS é um tipo de laser que utiliza um meio de ganho de estado sólido (como Nd: YAG) bombeado por um diodo laser semicondutor. Essa tecnologia permite lasers compactos e eficientes, capazes de produzir feixes de alta qualidade no espectro visível-infravermelho. Para um artigo detalhado, você pode pesquisar em bancos de dados científicos ou editoras renomadas por análises abrangentes sobre a tecnologia de laser DPSS.

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Nd:YAG é frequentemente usado como meio de ganho em módulos de laser bombeados por semicondutores por vários motivos, conforme destacado por vários estudos:

1. Alta eficiência e potência de saída: Um projeto e simulações de um módulo de laser Nd:YAG bombeado lateralmente por diodo demonstraram eficiência significativa, com um laser Nd:YAG bombeado lateralmente por diodo fornecendo uma potência média máxima de 220 W, mantendo energia constante por pulso em uma ampla faixa de frequência. Isso indica a alta eficiência e o potencial de alta potência dos lasers Nd:YAG quando bombeados por diodos (Lera et al., 2016).
2. Flexibilidade e confiabilidade operacional: As cerâmicas Nd:YAG demonstraram operar eficientemente em vários comprimentos de onda, incluindo comprimentos de onda seguros para os olhos, com alta eficiência óptica-óptica. Isso demonstra a versatilidade e a confiabilidade do Nd:YAG como meio de ganho em diferentes aplicações de laser (Zhang et al., 2013).
3. Longevidade e qualidade do feixe: Pesquisas sobre um laser Nd:YAG altamente eficiente, bombeado por diodo, enfatizaram sua longevidade e desempenho consistente, indicando a adequação do Nd:YAG para aplicações que exigem fontes de laser duráveis e confiáveis. O estudo relatou operação prolongada com mais de 4,8 x 10^9 disparos sem danos ópticos, mantendo excelente qualidade do feixe (Coyle et al., 2004).
4. Operação de onda contínua altamente eficiente:Estudos demonstraram a operação altamente eficiente de onda contínua (CW) dos lasers Nd:YAG, destacando sua eficácia como meio de ganho em sistemas de laser bombeados por diodo. Isso inclui alcançar altas eficiências de conversão óptica e eficiências de inclinação, comprovando ainda mais a adequação do Nd:YAG para aplicações de laser de alta eficiência (Zhu et al., 2013).

A combinação de alta eficiência, potência de saída, flexibilidade operacional, confiabilidade, longevidade e excelente qualidade do feixe faz do Nd:YAG um meio de ganho preferencial em módulos de laser bombeados por semicondutores para uma ampla gama de aplicações.

Referência

Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). Laser Q-switched compacto, eficiente e seguro para os olhos a 1525 nm com um cristal Nd:YVO4 ligado por difusão de extremidade dupla como meio auto-Raman. Optics Express, 17(6), 4330-4335.

Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., & Huang, Y. (2016). Crescimento e propriedades espectroscópicas do cristal Er:Yb:KGd(PO3)_4 como um meio promissor de ganho de laser de 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Modelo experimental de ganho de Er/Yb para amplificadores de fibra e lasers. 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). Simulações do perfil de ganho e desempenho de um laser QCW Nd:YAG com bombeamento lateral de diodo. Óptica Aplicada, 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 cerâmico Nd:YAG de alta eficiência, seguro para os olhos, operando a 1442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG bombeado por diodo, eficiente, confiável e de longa vida útil para altimetria topográfica de vegetação espacial. Óptica Aplicada, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). Lasers cerâmicos Nd:YAG de onda contínua altamente eficientes a 946 nm. Laser Physics Letters, 10.

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