Как появились первые лазеры с диодной накачкой. Каковы преимущества диодной накачки по сравнению с ламповой. Какие существуют типы лазерных диодов для накачки. Где применяются лазеры с диодной накачкой в наши дни.
История создания первых лазеров с диодной накачкой
Идея использования полупроводниковых диодов для накачки твердотельных лазеров возникла в середине 1970-х годов. Одним из первых, кто начал исследования в этом направлении, был советский ученый М.Ф. Стельмах в НИИ «Полюс».
В 1975 году в институте была поставлена первая научно-исследовательская работа по созданию лазера с диодной накачкой под названием «Колосок». Основной целью было продемонстрировать принципиальную возможность получения генерации при накачке твердотельного лазера полупроводниковым диодом.
Первый экспериментальный образец лазера с диодной накачкой был создан в 1976 году. Он работал на кристалле алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (АИГ:Nd). Накачка осуществлялась многоэлементным диодным лазером, излучение которого фокусировалось в торец активного элемента. Лазер работал в импульсном режиме вблизи порога генерации.
Ключевые преимущества диодной накачки
По сравнению с традиционной ламповой накачкой, использование лазерных диодов для возбуждения твердотельных лазеров имеет ряд существенных преимуществ:
- Высокая эффективность преобразования электрической энергии в оптическую (до 50-60% против 1-3% у ламп накачки)
- Узкий спектр излучения накачки, хорошо согласованный с полосами поглощения активных сред
- Длительный срок службы (до 100 000 часов и более)
- Компактность и малый вес
- Отсутствие необходимости в высоковольтном питании
- Возможность эффективного охлаждения без применения жидких теплоносителей
Все это позволило создавать более эффективные, надежные и компактные твердотельные лазерные системы.
Типы лазерных диодов для накачки
В настоящее время для накачки твердотельных лазеров используются различные типы полупроводниковых лазерных диодов:
Одиночные широкополосные лазерные диоды
Обеспечивают мощность излучения до нескольких ватт. Применяются для накачки маломощных твердотельных лазеров.
Линейки лазерных диодов
Представляют собой набор из нескольких десятков одиночных излучателей на общей подложке. Обеспечивают мощность накачки до 100 Вт и более. Широко используются в промышленных лазерных системах.
Двумерные решетки (стеки) лазерных диодов
Состоят из нескольких линеек, размещенных друг над другом. Позволяют получать мощность накачки до нескольких киловатт. Применяются в мощных технологических лазерах.
Волоконные лазерные диоды
Излучение диода вводится непосредственно в оптическое волокно. Удобны для накачки волоконных лазеров и усилителей.
Современные применения лазеров с диодной накачкой
Благодаря своим преимуществам, лазеры с диодной накачкой нашли широкое применение в различных областях науки и техники:
Промышленность
- Лазерная резка и сварка металлов
- Маркировка и гравировка изделий
- 3D-печать металлических деталей
Медицина
- Лазерная хирургия
- Офтальмология
- Дерматология и косметология
Метрология
- Высокоточные измерительные системы
- Лазерные дальномеры
- 3D-сканеры
Телекоммуникации
- Волоконно-оптические усилители
- Оптические передатчики
Научные исследования
- Спектроскопия
- Лазерное охлаждение атомов
- Нелинейная оптика
Перспективы развития лазеров с диодной накачкой
Основные направления совершенствования лазеров с диодной накачкой связаны с:
- Повышением эффективности и яркости лазерных диодов накачки
- Разработкой новых активных сред с улучшенными характеристиками
- Созданием компактных и эффективных систем охлаждения
- Расширением диапазона генерируемых длин волн
Это позволит создавать еще более эффективные и универсальные лазерные системы для решения широкого круга научных и практических задач.
Заключение
Лазеры с диодной накачкой, появившиеся в середине 1970-х годов, произвели настоящую революцию в лазерной технике. Они объединили преимущества полупроводниковых и твердотельных лазеров, открыв новые возможности для создания эффективных, надежных и компактных источников когерентного излучения.
Сегодня такие лазеры широко применяются в промышленности, медицине, телекоммуникациях и научных исследованиях. Дальнейшее совершенствование технологии диодной накачки позволит создавать еще более совершенные лазерные системы для решения актуальных задач в различных областях науки и техники.
Глава 23. Первые лазеры с диодной накачкой
В. А. Пашков
Сегодня специалистам хорошо известны преимущества твердотельных лазеров с диодной накачкой по сравнению с накачкой ламповой. Это высокая эффективность и надежность лазеров, высокое качество лазерного излучения, отсутствие жидкостного охлаждения. А примерно 30 лет назад о возможностях реализации таких лазеров вряд ли кто думал всерьез.
В середине 70-х годов я занимался исследованиями процессов лазерного разрушения прозрачных диэлектриков и поиском путей повышения их световой стойкости. В это время Митрофан Федорович несколько неожиданно для меня предложил проработать возможность применения для накачки лазера на гранате лазерных диодов вместо традиционных ламп накачки. По тому времени это была оригинальная идея, т.к. такие лазеры можно было отнести к разряду экзотических.
Понаслышке мы знали, что идея применить полупроводниковые диоды для накачки сверхмощных лазеров для термоядерного синтеза обсуждалась в то время в ФИАНе в лаборатории академика Н.
Митрофан Федорович увидел в идее диодной накачки другое полезное содержание – возможность применять накачку лазерными диодами для создания эффективных лазеров относительно небольшой мощности (тех, что сегодня называют мини-лазерами).
Особенно ему казалась важной возможность объединения в этой задаче усилий двух крупных направлений, созданных и развивающихся в институте, — полупроводниковых и твердотельных лазеров. Действительно, в то время такой возможностью вряд ли кто обладал в других научных центрах.
Первая работа – НИР «Колосок» — была поставлена по внутреннему плану института. Поскольку в работе участвовали на паритетных началах два направления в институте, несмотря на скромный (по финансированию) характер этой первой работы, мы попросили Митрофана Федоровича возглавить эту работу и получили его согласие.
Довольно скоро был запущен твердотельный лазер с накачкой многоэлементным диодным лазером, излучение которого фокусировалось в торец активного элемента из АИГ с неодимом.
Таким образом, в работе по теме «Колосок» мы, видимо, создали первый лазер с диодной накачкой, не требующей охлаждения.
Вслед за этим Митрофан Федорович поставил следующую задачу: создать лазер с диодной накачкой, которой мог бы применяться на практике, например, для юстировки более сложных неодимовых лазеров (с ламповой накачкой), измерения характеристик оптических материалов и лазерных кристаллов на длине волны генерации неодимового лазера и других измерительных задач.
Поскольку было ясно, что для получения заметной выходной энергии (или мощности) твердотельного лазера возможности «торцевой» накачки ограничены, было принято решение использовать «боковую» накачку с помощью линейки, состоящей из набора диодов. Однако лазерные диодные линейки в то время были слишком сложны в изготовлении (МОС-гидридной технологией роста структур мы тогда не владели и создать линейку с применением планарной технологии, естественно, не могли). Поэтому специалисты отделения 300 решили изготовить для накачки линейку светодиодов. Эта работа была выполнена в лаборатории, возглавляемой И.С.Голдобиным. Сборку линейки осуществлял Е.А.Белоновский.
Я помню, как, получив первые линейки для накачки, мы не могли получить генерацию, хотя долго возились с юстировкой, меняли пропускание зеркал, геометрию отражателей и т.д. Тогда придумали простое решение – использовать для накачки одновременно комбинацию из светодиодной линейки и обычной лампы накачки, расположив их с двух боковых сторон активного элемента.
Синхронизовав во времени импульсы этих двух источников накачки, мы получили генерацию, однако оказалось, что доля диодной накачки составляет только около половины от требуемой пороговой энергии.
Теперь было понятно, сколько энергии диодной накачки нам не хватает, и мы рискнули постепенно увеличить ток накачки через диодную линейку, хотя заранее не знали, при каком токе она может сгореть. Итак, мы увеличивали долю диодной накачки, снижая долю накачки ламповой. Какова же была наша радость, когда ламповая накачка была отключена, а лазер генерировал только от диодной линейки. В этой работе участвовали сотрудники лаборатории И.И.Куратев, В.И.Билак, в дальнейшем молодой специалист Ю.В.Цветков.
Митрофан Федорович высоко оценил этот первый скромный результат и решил сообщить о нем в ГНТУ нашего Министерства с тем, чтобы привлечь внимание руководства к перспективному направлению. А в ГНТУ нам сообщили, что мы отстали от жизни, и в организации «Гириконд» завершается разработка лазера с диодной накачкой с выходной мощностью 1 Вт (средняя мощность нашего лазера исчислялась милливаттами).
Конечно, Митрофан Федорович сразу же предложил познакомиться с работой «Гириконда» на месте, и мы выехали в Ленинград. Оказалось, срок работы ленинградцев подходил к концу, однако генерация не была получена вовсе. Мы вместе проанализировали возникшую ситуацию и убедились в том, что имеющиеся в наличии диодные линейки аналогичны нашим и позволят получить выходные мощности лазера значительно меньшие, чем заданные в ТЗ.
Тем не менее, наш опыт создания лазера с диодной накачкой позволил в «Гириконде» запустить лазер и так или иначе выйти из затруднительного положения. В дальнейшей работе мы использовали сложившуюся кооперацию: «Гириконд» г.Ленинград – изготовитель светодиодных линеек, «НИИМЭТ» г.Калуга – разработчик и изготовитель полупроводниковых структур для линеек.
В результате последующей работы мы попытались создать конструкцию лазера, которую можно было выпускать на производстве в «Полюсе». Была создана конструкция лазера, которая обеспечивала нужные параметры, но вид ее был, мягко говоря, непрезентабельным.
Митрофан Федорович предложил обратиться к нашим дизайнерам (возглавлял лабораторию дизайна А.А.Кутеров) для приведения конструкции в приемлемый вид.
Ранее по роду моей работы мне не приходилось работать с дизайнерами, и я, не слишком веря в успех, перед своим отпуском передал имеющиеся наработки и технические особенности лазера Кутареву. Через месяц, вернувшись из отпуска, я обнаружил у себя на столе небольшую изящную лазерную головку с удачной колеровкой и каким-то иностранным лейблом на крышке. Мне сказали, что этот лазер передал в мое отсутствие А.А.Кутеров. Я позвонил ему и спросил, что за фирма и из какой страны выпускает такие лазеры, и как он его достал. В ответ услышал, что это и есть наш макетный лазер-уродец, переработанный дизайнерами. Я был просто потрясен – вид лазера мне очень понравился. Уже сообща мы спроектировали небольшой сетевой источник питания вполне приличного вида, и такой лазер был запущен в производство. Это было в 1978 году.
Лазеры с диодной накачкой выпускались несколько лет и применялись как на «Полюсе», так и покупались другими организациями, разрабатывающими или производящими лазерные или оптические системы.
Не могу не похвастаться. Митрофан Федорович организовал небольшую комиссию по приемке работы и пригласил председателем Ж.И.Алферова, которого заинтересовали возможности новых лазеров. В дальнейшем мы неоднократно бывали в Ленинградском физико-техническом институте, пытаясь совместно повысить эффективность светодиодных линеек, увеличив т.н. их «внешний квантовый выход» (работали с Д.Гарбузовым и Портным).
В дальнейшем диодная накачка оказалась одним из ключевых направлений.
К сожалению, последовавшие в дальнейшем изменения в руководстве института и в приоритетах работ нарушили сложившуюся кооперацию, и в то же время, когда диодной накачкой стали интенсивно и успешно заниматься в США, Японии и других странах, в «Полюсе» работы в этом направлении продолжила небольшая группа энтузиастов, которую возглавил И.И.Куратев. Эта группа, ставшая теперь известной в мире фирмой, специализируется на разработке и производстве одного из видов лазеров с диодной накачкой – мини-лазеров.
Возможно, «Полюс» мог бы стать лидером в этом перспективном направлении лазерной техники в значительно более широком плане, если бы Митрофан Федорович с его энтузиазмом и чувством перспективы оставался бы и дальше руководителем этих работ.
В. А. Пашков,
доктор технических наук, профессор,
Лауреат Государственной премии СССР,
начальник отделения НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха
Твердотельный лазер с диодной накачкой
Твердотельный лазер с диодной накачкой (Diode-pumped solid-state laser, DPSS) — разновидность твердотельного лазера, в которой в качестве накачки используется лазерный диод. DPSS-лазеры характеризуются высокой эффективностью и компактностью по сравнению с газовыми и другими твердотельными лазерами. В последние годы DPSS-лазеры приобрели особую популярность как источники излучения в лазерных указках зеленого, желтого и некоторых других цветов.
Содержание
|
такжеУстройство
Устройство DPSS-лазера.
Типичная схема рассмотрена на примере зеленого лазера. Источником накачки является мощный инфракрасный лазерный диод (от 100мВт до нескольких ватт) с длиной волны 808 нм. Этим диодом накачивается кристалл алюмо-иттриевыего граната или ортованадата иттрия. Кристалл излучает на длине волны 1064 нм. Следующей ступенью является нелинейная оптическая система из кристалла титанил фосфата калия (KTiOPO4, KTP). В нем исходная частота излучения удваивается, и выходной луч имеет длину волны 532 нм, что соответствует зеленому цвету видимого излучения. КПД этой системы составляет примерно 20%. На выходе обычно ставят ИК-фильтр, чтобы убрать остатки излучения от диода накачки, хотя в слабых и дешевых моделях им часто пренебрегают. Желтые и синие лазеры имеют еще более сложную структуру. Так, в желтом лазере излучение на длине волны 808нм конвертируется в излучение 1064нм, которое далее конвертируется в 1342нм и только потом осуществляется удвоение частоты.
КПД таких лазеров может быть менее 3% [1]
Сравнение с полупроводниковыми лазерами
Основное преиимущество DPSS-лазеров по сравнению с лазерными диодами — высокое качество излучения, как с точки зрения монохроматичности, так и с точки зрения фокусировки и расходимости луча. DPSS-лазеры имеют более узкий диапазон длин волн ( меньше 1 нм [2] в сравнению с 5-20 нм у диодных лазеров [3]) и значительно меньшую расходимость луча. Благодаря низкой зависимости выходного луча от входного возможно использование более дешевых и мощных многомодовых лазерных диодов в качестве источника накачки, а также линейки из нескольких диодов, накачивающих один кристалл.
С другой стороны полупроводниковые лазеры проще в использовании и дешевле DPSS, имеют больший КПД. Лазерные диоды продаются в виде законченных дискретных элементов, которые требуют только электропитания и фокусировки, в то время как твердотельный лазер содержит много дополнительных, прецизионных деталей, чувствительных к ударам и вибрациям.
В случае, если высокое качество луча не требуется, многомодовые лазерные диоды выдают большую мощность при тех же (или меньших) габаритах и электропитании. Кроме того лазерные диоды могут работать при большем диапазоне температур и выдерживают более высокочастотный режим модуляции [4]
Примечания
- ↑ Особенности зеленого лазера и других цветных лазеров
- ↑ http://www.eocrystal.com/laser.html
- ↑ Mode Stability of Diode Lasers
- ↑ Sam’s Laser FAQ — Home-Built Diode Pumped Solid State (DPSS) Laser
См. также
- Лазерная указка
- Твердотельный лазер
- Лазерный диод
Ссылки
- Sam’s laser FAQ
- compact diode pumped solid-state lasers with many wavelengths
Поставщик волоконных лазеров с накачкой и лазерных диодов
- Обзор
- Поиск продукта
- Ряд
- Часто задаваемые вопросы
- Техническая документация/блоги
Волоконные лазеры, как и все другие лазерные системы, требуют источника возбуждения для накачки энергии в систему.
Это делается с помощью накачки по оптоволокну, аналогично тому, как это делается в лазерах DPSS. Основное различие между двумя типами лазеров заключается в способе подачи источника лазерной накачки. Этот источник традиционно соединяется с волокном с большой сердцевиной, которое затем сплавляется в волокно с двойной оболочкой. Это волокно с двойной оболочкой легировано особым усиливающим материалом, представляющим интерес для данного конкретного лазера. Двойная оболочка позволяет направлять мощное многомодовое волокно в большую внешнюю сердцевину, в то время как одномодовый лазер накапливается во внутренней сердцевине меньшего размера. В зависимости от усиливающего материала, которым легировано волокно, полоса поглощения может быть широкой или узкой, что означает, что в некоторых случаях приемлемы традиционные мощные лазерные диоды, но в других случаях требуются диоды со стабилизацией длины волны. На этой странице вы найдете список всех волоконных лазерных модулей и источников накачки, включая как стабилизированные по длине волны, так и нестабилизированные лазерные диоды.
RPMC имеет многолетний опыт поддержки приложений лазерной накачки, помогая профессионалам отрасли выбрать правильный инструмент для работы.
Свяжитесь с нами сегодня, чтобы один из наших знающих менеджеров по продуктам помог вам!
Поговорите с менеджером по продукту
Фильтры Перезагрузить
более более
10203040
более более
10203040
Дженлас Д2
Серия дисковых лазеров непрерывного действия JenLas D2 с длиной волны 532 нм доступна с выходной мощностью до 8 Вт. Эти твердотельные лазеры Nd:YVO4 или Yb:KYW идеально подходят для промышленной обработки микроматериалов и медицинских процедур
Серия JOLD-FC
Серия высококачественных лазерных диодов JOLD-FC с оптоволоконным соединением предлагается с длиной волны от 780 нм до 1064 нм и выходной мощностью от 30 Вт до 400 Вт.
Мы предлагаем стандартных длин волн 808 нм, 940 нм и 980 нм. Диаметр сердцевины волокна наших диодных лазеров составляет 200 мкм, 400 мкм или 600 мкм. По запросу мы будем рады адаптировать параметры к вашим индивидуальным требованиям. Вы также можете выбрать между 9 0045 пилотные лазеры, контрольные диоды и встроенные элементы Пельтье .
Серия R
Одномодовые и многомодовые лазерные диоды серии R со стабилизацией длины волны имеют узкий спектр длин волн от 633 до 1064 нм. Варианты пакетов варьируются от таких базовых компонентов, как корпусные диоды TO-56 или 14-контактные диоды BF, до OEM-модулей, включая электронику, до сертифицированных UL / CE и IEC систем «под ключ».
Серия РБДЛ
Серия RBDL представляет собой готовую систему высокой мощности с прямым диодом, доступную для длин волн 915 нм или 976 нм.
Этот простой в интеграции OEM-модуль лазерного диода обеспечивает мощность до 3 кВт и беспрецедентную яркость.
Серия РПК
Серия RPK, состоящая из нескольких диодных лазеров с одним излучателем и оптоволоконным соединением, доступна с длинами волн от 405 нм до 1550 нм с выходной мощностью до 300 Вт. Эти диодные лазеры высокой мощности и высокой яркости с несколькими излучателями включают варианты направленного луча, фотодетектора, ТЭО, оптоволоконного детектора, термистора и различных типов корпусов.
Pump LD (FP-LD, FP Laser Diode)
- Описание
Описание
Что такое Pump-LD (лазер возбуждения)?
Обзор
Pump-LD (лазерный диод) — это источник возбуждающего света для волоконного усилителя, используемого в сетях оптической связи.
Типы LD накачки включают FP-LD (лазерный диод Фабри-Перо) и FBG-LD, которые соединяют волокно с FBG (волоконная брэгговская решетка), сформированную на FP-LD, и обеспечивают высокую стабильность длины волны и узкую ширину линии за счет выбора длина волны. Спектральные примеры каждого из них указаны ниже.
Схема модуля ВБР
Пример спектра FP-LD
Пример спектра FBG-LD
FP-LD в основном используются для EDFA (усилители волокна, легированного эрбием) и излучают свет, соответствующий длине волны возбуждения EDFA, в частности, длине волны диапазона 1,48 мкм с хорошей эффективностью возбуждения.
FBG-LD в основном используются для FRA (волоконных рамановских усилителей) и позволяют определять центральную длину волны в соответствии с требуемыми характеристиками длины волны FRA.
Anritsu предлагает как модули LD 1,48 мкм, подходящие для EDFA, так и модули FBG-LD 1,4 мкм, подходящие для FRA.
Модули LD 1,48 мкм обеспечивают максимальную оптическую мощность 650 мВт и центральную длину волны 1475 ± 15 нм в соответствии с требуемыми спецификациями EDFA.
Модули FBG-LD 1,4 мкм используют волокно PM (с сохранением поляризации) с FBG (волоконная брэгговская решетка) для выбора длины волны, а центральную длину волны можно определить в соответствии с требуемыми характеристиками FRA. Оптический выход может иметь мощность от 300 до 500 мВт.
Мы также можем предоставить модули FBG-LD диапазона 1,3 мкм, которые можно использовать для FRA более высокого порядка.
Модули Anritsu LD соответствуют требованиям Telcordia GR-468-CORE для чрезвычайно высокой надежности, а также директиве RoHS. Модуль имеет стандартную 14-контактную форму бабочки и включает в себя TEC (термоэлектрический охладитель) для контроля температуры и PD для контроля оптического выхода.
Характеристики
Модуль LD 1,48 мкм
- Оптический выход: от 120 до 650 мВт (с шагом 10 мВт)
- Диапазон длин волн: 1475±15 нм
- Волокно: одномодовое волокно (SMF) или волокно с сохранением поляризации (PMF)
- Оптический разъем: поддерживает различные оптические разъемы
- 14-контактный пакет «бабочка»
- Включает оптический изолятор, мониторный фотодиод и охладитель
Модуль FBG LD 1,4 мкм
- Оптический выход и диапазон длин волн: от 410 до 500 мВт/от 1420 до 1485 нм, от 500 до 650 мВт/от 1420 до 1470 нм
- Волокно: Волокно с сохранением поляризации (0,25 мм, с УФ-покрытием)
- Оптический разъем: поддерживает различные оптические разъемы
- 14-контактный пакет «бабочка»
- Внутренний монитор PD и TEC
Применение
Оптоволоконные усилители (EDFA/FRA)
Технология усиления оптического волокна позволяет усиливать оптический сигнал без необходимости преобразовывать его в электричество на ретрансляционной станции, чтобы компенсировать потери при передаче в оптических волокнах.
Основными типами волоконно-оптических усилителей являются EDFA и FRA.
EDFA использует сердцевину оптического волокна, легированную редкоземельным элементом эрбием (Er, атомный номер 68), в качестве усиливающей среды для усиления оптического сигнала в диапазоне 1,55 мкм посредством оптического возбуждения. Этот EDFA, который был изобретен в конце 1990-х годов, обеспечивает пакетное усиление WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) и является важным элементом сетей с длинными скважинами, таких как подводные оптические кабели, и систем связи с высокой пропускной способностью, таких как сети доступа.
Схема EDFA
Источник возбуждающего света для EDFA использует 0,9Длина волны диапазона 8 мкм или диапазона 1,48 мкм. Возбуждающий свет в диапазоне 0,98 мкм имеет низкую эффективность квантового преобразования и низкий коэффициент шума (NF). С другой стороны, возбуждающий свет в диапазоне 1,48 мкм имеет высокую эффективность квантового преобразования.
Компания Anritsu поставляет модули LD 1,48 мкм в качестве источников возбуждающего света с тех пор, как EDFA начали использовать в качестве оптических усилителей для связи.
FRA отличается от EDFA тем, что это оптический усилитель, который использует оптическое волокно в самом маршруте передачи в качестве усиливающей среды. Он использует нелинейный оптический эффект в оптическом волокне, называемый вынужденным комбинационным рассеянием, чтобы иметь полосу усиления в области длины волны возбуждающего света приблизительно 100 нм для оптического сигнала в полосе 1,55 мкм. Следовательно, он может изменять длину волны возбуждающего света для усиления сигнального света в определенном диапазоне длин волн.
Спектр ВКР оптического волокна
Чтобы получить более точную длину волны возбуждающего света, в качестве источника возбуждающего света для FRA используется FBG-LD. Эта ВБР-ЛД содержит волокно (ВБР) с дифракционной решеткой внутри выходного волокна модуля ЛД.
