Notícias - Por que estamos usando o 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 passa pelo meio, o que é fundamental para a operação do laser.

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Qual é o meio de ganho usual?

O meio de ganho 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, costumam usar cristais como Nd: YAG (granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio) ou vidros dopados com elementos de terras raras. Os lasers de corante usam corantes orgânicos dissolvidos em solventes e os lasers de gás utilizam gases ou misturas de gases.

Hastes 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

referem-se principalmente aos seus comprimentos de onda de emissão, mecanismos de transferência de energia e aplicações, especialmente no contexto de materiais 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 geralmente emite cerca de 1,0 a 1,1 µm, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo amplificadores e lasers de alta potência. Yb é frequentemente usado como um sensibilizador para Er para 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 pela sua eficiência e é amplamente utilizado em lasers industriais e médicos (Y. Chang et al., 2009).

Mecanismos de transferência de energia:

- Co-dopagem de Er e Yb: A co-dopagem de Er e Yb num meio hospedeiro é benéfica para aumentar a emissão na faixa de 1,5-1,6 µm. Yb atua como um sensibilizador eficiente para Er, absorvendo a luz da bomba e transferindo energia para íons Er, levando à emissão amplificada na banda de telecomunicações. Esta transferência de energia é crucial para a operação de amplificadores de fibra dopada com Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

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

Aplicações:

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

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

-Nd: Adequado para uma ampla gama de aplicações, desde corte e soldagem industrial 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 usa um meio de ganho de estado sólido (como Nd: YAG) bombeado por um diodo laser semicondutor. Esta tecnologia permite lasers compactos e eficientes, capazes de produzir feixes de alta qualidade no espectro visível a infravermelho. Para um artigo detalhado, você pode considerar pesquisar em bancos de dados científicos respeitáveis ou editores para obter análises abrangentes sobre a tecnologia 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: Um projeto e simulações de um módulo de laser Nd:YAG com bombeamento lateral de diodo demonstraram eficiência significativa, com um laser Nd:YAG com bombeamento lateral de diodo fornecendo uma potência média máxima de 220 W enquanto mantém energia constante por pulso em uma ampla faixa de frequência. Isto indica a alta eficiência e potencial para alta potência dos lasers Nd:YAG quando bombeados por diodos (Lera et al., 2016).
2. Flexibilidade Operacional e Confiabilidade: Foi demonstrado que a cerâmica Nd:YAG opera eficientemente em vários comprimentos de onda, incluindo comprimentos de onda seguros para os olhos, com alta eficiência óptico-óptica. Isso demonstra a versatilidade e confiabilidade do Nd:YAG como meio de ganho em diferentes aplicações de laser (Zhang et al., 2013).
3.Longevidade e qualidade do feixe: A pesquisa sobre um laser Nd:YAG altamente eficiente e bombeado por diodo enfatizou 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 de 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. Isto inclui alcançar altas eficiências de conversão óptica e eficiências de inclinação, atestando 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 de feixe torna o Nd:YAG um meio de ganho preferido em módulos de laser bombeados por semicondutores para uma ampla gama de aplicações.

Referência

Chang, Y., Su, K., Chang, H. e Chen, Y. (2009). Laser Q-switched seguro para os olhos, compacto e eficiente a 1525 nm com um cristal Nd: YVO4 ligado por difusão de extremidade dupla como meio auto-Raman. Óptica Expresso, 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. Expresso Materiais Ópticos, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV e Butov, O. (2023). Modelo baseado em experimento de meio de ganho Er/Yb para amplificadores de fibra e lasers. Jornal da Sociedade Óptica da América 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 e seguro para os olhos operando a 1442,8 nm. Cartas Ópticas, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P. e Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG bombeado por diodo, eficiente, confiável e de longa vida útil para altimetria topográfica de vegetação baseada no espaço. 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 em 946 nm. Cartas de Física do Laser, 10.

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