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

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O que é um meio de ganho de laser?

Um meio de ganho 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 altos, eles podem emitir fótons de um comprimento de onda específico ao retornarem a um estado de energia mais baixo. Esse processo amplifica a luz que passa pelo meio, o que é fundamental para o funcionamento do laser.

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Qual é o ganho médio usual?

O meio de ganho pode variar, incluindogases, líquidos (corantes), sólidos(cristais ou vidros dopados com íons de terras raras ou metais de transição) e semicondutores.lasers de estado sólidoPor 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 a gás utilizam gases ou misturas de gases.

Varetas 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 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 em comprimentos de onda entre 1,0 e 1,1 µm, o que o torna adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo lasers e amplificadores de alta potência. O Yb é frequentemente usado como sensibilizador para o Er para aumentar a eficiência de dispositivos dopados com Er, transferindo energia do Yb para o Er.

- Nd: Materiais dopados com neodímio normalmente emitem em torno de 1,06 µm. O Nd:YAG, por exemplo, é conhecido por sua eficiência e é 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 a 1,6 µm. O Yb atua como um sensibilizador eficiente para o Er, absorvendo a luz de bombeamento e transferindo energia para os íons de Er, o que leva à emissão amplificada na banda de telecomunicações. Essa transferência de energia é crucial para a operação de amplificadores de fibra dopada 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 deriva de sua absorção direta da luz de bombeamento 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. Os meios de ganho dopados com Érbio são essenciais para amplificadores ópticos e lasers em sistemas de comunicação por fibra óptica de longa distância.

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

- NdOs lasers Nd:YAG são ideais para uma ampla gama de aplicações, desde corte e soldagem industrial até lasers médicos. São particularmente valorizados por sua eficiência, potência e versatilidade.

Por que escolhemos o Nd:YAG como meio ativo 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 a criação de lasers compactos e eficientes, capazes de produzir feixes de alta qualidade no espectro visível ao infravermelho. Para um artigo detalhado, você pode consultar bases de dados científicas ou editoras renomadas em busca de revisões abrangentes sobre a tecnologia de laser DPSS.

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

1. Alta eficiência e potência de saídaO projeto e as simulações de um módulo 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 para alta potência de saída de lasers Nd:YAG quando bombeados por diodos (Lera et al., 2016).
2. Flexibilidade e Confiabilidade OperacionalCerâmicas de 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 confiabilidade do Nd:YAG como meio ativo em diferentes aplicações de laser (Zhang et al., 2013).
3. Longevidade e Qualidade do FeixePesquisas sobre um laser Nd:YAG bombeado por diodo de alta eficiência 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 em onda contínua (CW) altamente eficiente de lasers Nd:YAG, destacando sua eficácia como meio de ganho em sistemas de laser bombeados por diodo. Isso inclui a obtenção de 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 do 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., & Chen, Y. (2009). Laser compacto e eficiente comutado por Q, seguro para os olhos, em 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 promissor meio de ganho de laser de 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Modelo baseado em experimentos de meio de ganho Er/Yb para amplificadores e lasers de fibra. 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 e seguro para os olhos, operando em 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 baseada no espaço. Applied Optics, 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. Laser Physics Letters, 10.

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