400Wの平均電力Q | 河北レーザーマーキング株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16918 (2022) この記事を引用

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我々は、音響光学的 Q スイッチ Yb:YAG シンディスクレーザー (TDL) から最大 403 W の平均パワーを直接生成することについて報告します。この出力を達成するには、出力カプラーの透過率を調整することによって、レーザーの安定性の境界をより高い繰り返し率にシフトできることが理論的および実験的に示されています。これにより、より高い周波数でのレーザーの安定した動作が可能になり、活性媒体からの出力抽出がさらに増加します。 93% の反射率を持つ出力カプラーを使用すると、1220 W のポンプパワーのもとで、12.0 kHz の繰り返しレートで 403 W の最大平均パワーが記録されました。さらに、57 mJ の最大パルスエネルギーが 12.0 kHz の繰り返しレートで生成されました。 1.00 kHz、ポンプパワーは520 Wです。さまざまなQスイッチングレートとポンプパワーでのレーザーの特性が調査されました。さらに、実験結果を裏付ける数値研究がここで提案されています。私たちの知る限り、達成された平均パワーとパルスエネルギーは、Q スイッチ Yb:YAG TDL からこれまでに報告された最高値です。この結果は、ソリッドステート Q スイッチ発振器のさらなる電力スケーリングへの道を開きます。

シンディスクレーザー (TDL) は、比較的低コストで平均出力の高いレーザーソースの一種です1。これらのレーザーは、パワーとビーム品質における独自の仕様により、CW レーザーシステムとパルスレーザーシステムの両方を製造するのに非常に魅力的なものとなっています2。 80% という有望な光学効率を達成することで、産業用途にとってさらに有利になります3。 μs から ns のパルス持続時間を持つ高平均パワー TDL4、5、超高速パルス 6、7、および高平均パワーのグリーン TDL8 が報告されています。 CW モードで 10 kW 以上、パルス動作で数百ワットの平均電力を持つ TDL デバイスが商品化されています9。

高出力動作では、Q スイッチング、キャビティダンピング、および発振器とアンプのセットアップが、μs または ns 領域の 3 つの主要なパルス生成方法です10。これらの方法を利用する初期の取り組み11、12、13にもかかわらず、TDLでは、この領域でのパルス生成にはキャビティダンピングが一般的に使用されており、平均出力は最大数百ワット5、14、15、16です。ただし、高電圧駆動、比較的高価なダンピング素子、広域スペクトルなど、いくつかの重要な欠点があります17。一方、Q スイッチングは、音響光学 (AO) または電気光学 (EO) 変調器を使用してパルス固体レーザーを生成する一般的な方法です。 EO Qスイッチングやキャビティダンピングと比較すると、AO Qスイッチングは共振器内に高電圧や分極素子を必要としないため、複雑さが少なく経済的であるという点で魅力的です10。

パルスレーザーの平均出力は処理速度を直接決定するため、産業用途では非常に重要です18,19。ロッド振動子では、最大平均出力は活性媒体の破壊限界によって制限されます 20,21。一方、熱の影響によりレーザービームの品質が損なわれるため、より高い平均パワーを達成するにはさまざまな増幅段が必要です22、23。あるいは、非線形効果とファイバーの損傷が、パルスファイバーレーザーの出力スケーリングを困難にする主な要因です24、25。ただし、活性媒体の形状により、TDL は上記の制限要因の影響をあまり受けず、一定のポンプパワー密度での平均パワーのスケールアップが実現されます 1。

注目すべきことに、Q スイッチ TDL では、2 つの主な要因が出力平均電力のスケールアップを制限します26。これらの要因は両方とも、活性媒体の低い利得係数に起因します。出力カプラー (OC) の反射率は通常 1 に近いため、キャビティ内部エネルギーは、出力パルスが 100 mJ 程度であってもディスクに損傷を与えるほど十分に高くなります。したがって、平均出力を高めるには、レーザーの繰り返し率を高める必要があります。ただし、これにより、出力パルスエネルギーが大きく変動し、パルスが不安定になる可能性があります13,27。この不安定性は Q スイッチレーザーの動力学に由来しており、他の種類のレーザーでも依然として実験的および理論的研究の対象となっています 26、28、29。パルスの不安定性は Q スイッチレーザーの固有の特性ですが、TDL ではゲイン係数が低いため、より顕著に現れることが予想されます 28。この領域でのレーザー出力を安定させるためにアクティブフィードバック制御技術を実装することもできますが、レーザーがさらに複雑になり、柔軟性が制限されます16,30。

高出力 Q スイッチ TDL に関する関連論文の中に、Q スイッチ Yb:YAG TDL の平均出力のスケールアップや、レーザー設計パラメータに対するパルスの不安定性の依存性の特性評価に関する包括的な研究はありません。これらのレポートのほとんどすべてで、生成されたパルスは通常の動作条件下、通常は低い平均パワーで報告されています11、13。

この研究の主な目標は、市販の AO 変調器と単純な V 字型共振器を使用して、Q スイッチ Yb:YAG TDL から約 400 W の平均電力を生成することです。出力カプラーの透過率を調整することで、レーザーがより高い繰り返し率で安定して動作できることを示しました。これにより、ディスクからの達成可能な平均電力が向上します。このようにして、レーザーパルス流量性とレーザーの不安定領域を制御することでディスクメディアの損傷閾値に配慮することで、このレーザーシステムを最適化し、平均パワーの新記録を達成しました。さらに、実験結果を裏付けるために数値シミュレーションが提示されました。

図 1 に、設計されたレーザーセットアップの図を示します。ポンピングは、最大 1300 W の出力を備えた 940 nm の高出力スタックダイオードレーザーによって提供されます。レーザーのパフォーマンスにおけるポンピングプロファイルの重要性のため、光ビーム整形システムは、均一でほぼすべての出力を生成するように設計されています。ディスク表面上の所望のスポット直径を有するトップハット形状のポンププロファイル３１．このシステムは、スタックの出力プロファイルを均一化するためにライトパイプを使用し、ダイオードレーザーの光学的非点収差を補償するためにシリンドリカルレンズを使用し、ディスク上のポンプビームサイズを調整するためにいくつかのコリメートレンズを使用します（すべて図1bに示されています）。

実験セットアップの概要: (a) 設計されたレーザーの概略図、(b) ビーム整形システムの要素、(c) マルチパスポンプモジュールと共振器、(d) ディスク上のポンププロファイル、(e) 接合されたCu-W コールドプレート上のディスク、(f) ディスク表面の温度分布、(g) ジェット衝突冷却システム。

マルチパスポンピングシステムは、ディスク媒体内のポンピングビームの経路長を増加させ、ポンピング効率を増加させるために使用されます32。図1cに示すように設計されたマルチパスシステムには、焦点距離100cmの放物面ミラーと、吸収されなかったポンプビームの方向をディスク媒体上に変える折り返しミラーが含まれています。このマルチパスポンピングシステムは、ディスクを通過する 20 回のシングルパスを提供し、約 90% の吸収効率を実現します。最終的に、図1dに示すように、スポット直径6.5 mmのトップハットポンププロファイルがディスク上に形成されます。

ディスク媒体は、ドーピング濃度 9%、厚さ 180 μm の市販の Yb:YAG 結晶でした。ディスクは、表面が 940 nm (ポンピング波長) と 1030 nm (レーザー波長) の波長に対して高透過コーティングされ、裏面は両方の波長に対して高反射コーティングが施されています。ディスクの裏面は、ディスクの水冷のための効率的な熱伝達媒体を提供するために、Au-Sn はんだを使用して Cu-W プレートに接着されました。接合ディスクの写真とポンピング下のディスク表面の均一な温度プロファイルをそれぞれ図1e、fに示します。ポンピングスポットの影響下で Yb:YAG ディスクから効率的に熱を放散するために、図 1g に示すジェット衝突水冷システム 33 が設計および実装されました。

また、図1cに示すように、単純なV字型共振器は、ポンピングパワーに応じて安定係数g1g2が0.47から0.54の間にとどまるように設計されています。特に、熱による曲げにより、ディスクは半径 2.2 ～ 4.1 m の凹面の曲率を持ちます。ディスクのこの可変屈折率は、共振器の設計において考慮されました。

Qスイッチングのために、音響光学変調器が共振器のバックアームに設置されました。変調器には、長さ 5 cm、有効開口 5 mm の BBO 結晶、圧電トランスデューサー、および RF ドライバーが含まれています。高速 Si 光検出器とデジタルオシロスコープが実験中のパルス列を記録しました。

レーザーの動作と出力パルスのダイナミクスをモデル化するために、レーザー速度方程式と損失-利得平衡条件に基づく数値解析が適用されました。 Yb:YAG では、サブレベルの存続期間が短すぎます。したがって、この活性媒質におけるレーザー機構をモデル化するために 2 つのエネルギー準位系を考慮することは合理的です 34。ポンピング/レーザー波長での吸収/発光を考慮すると、次の連成微分方程式を適用できます35。

ここで、\(\tau_{f}\) は上位レーザーレベルの寿命、Ip はディスク上のポンプパワー密度、h はプランク定数、\({v}_{L/P}\) はレーザー/ポンプ光子の周波数。また、\(N_{2}\) は上部レーザーレベルの人口密度、\(I_{r}\) はキャビティ内パワー密度、\(l_{d}\) および \({N}_ {tot}\) は、それぞれディスクの厚さと活性媒体内の Yb イオン密度です。 \({\sigma }_{abs/em}^{L}\) という量は、レーザー波長における吸収/発光断面積です。また、\(M\) は共振器内での各往復中に活性媒質を通過するレーザー放射の回数、L は共振器の有効長です。 Toc は出力カプラ伝送、lossint はレーザー共振器の内部損失を表します。 \({M}_{p}\) パスポンピングシステムのポンプ放射の吸収効率 \({\eta }_{abs}\) は次の式で与えられます。

また、\(dI_{f,eff} /dt\) は、パルスの立ち上がりの開始エネルギーを表します。 \({I}_{f,eff}\) は、ディスクによる蛍光放射の有効強度であり、次のように取得されます。

ここで、α はパルスの立ち上がりに効率的に使用される蛍光光子の部分であり、設計された共振器の \(M^{2}\) 係数と、レーザーに寄与する蛍光光子の部分を考慮して推定されました。振動27．数値解析に使用したパラメータの値を表 1 に示します。

実験結果の理論的調査を提供するために、結合された方程式を以下に示します。 (1) と (2) は 4 次のルンゲ・クッタ法を使用して数値的に解かれました。数値解析で使用したパラメータの値を表 1 に示します。台形パルス列は、100 ns の立ち上がり時間でレーザー共振器の変調損失をモデル化しました。

実験中、電力測定は 2 つの異なる電力計を使用して実行されました。 1 つ目は 300 W 未満の電力に 0.1 W の分解能で使用され、2 つ目は 300 W を超える電力に 1 W の分解能で使用されました。パルス列の繰り返しレートは、パルス列に接続された高速フォトダイオードを使用して測定されました。このシステムは、1 Hz よりもはるかに優れた分解能で繰り返しレートを測定できます。

より高い繰り返し率では、レーザー出力パルスのエネルギーの分岐が観察されました。このような状況では、予期せぬ高エネルギーパルスが形成され、ディスクに損傷を与える可能性があります。したがって、パルス列のパルス振幅の自己定義の 10% 変動を不安定性の境界とみなしました。これは、パルス振幅の 10% 以上の変動がオシロスコープで観察された場合、レーザーは不安定であるとみなされ、対応するパルスデータは報告されないことを意味します。さらに、すべての実験は、ディスク表面のキャビティ内パワーフルエンシーがディスクのレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) (約 3 J/cm2) 未満であるという条件下で実行されました。これにより、ディスクへの潜在的な損傷が回避されます。

実験では、反射率 90%、93%、95% の 3 つの異なる OC が使用されました。これから示すように、OC 反射率 (ROC) を調整することで、より高い繰り返し率でのレーザーの安定した動作が可能になります。したがって、活性媒体から抽出可能な平均電力が増加します。わかりやすくするために、この文書では繰り返し率の略語 frep を使用しています。

図 2 は、3 つの異なる OC 反射率のパルスエネルギーと持続時間と繰り返し率を示しています。 3 つの異なるポンプ出力の実験結果が示されています。すべてのポンプ出力において、出力パルスのエネルギーは繰り返し率とともに減少します。入射電力が 520 W の場合、繰り返し周波数 1.00 kHz で 57.1 mJ という最高のパルスエネルギーが達成されました。これは、以前に報告された Q スイッチ Yb:YAG TDL のパルスエネルギーよりもかなり高くなります 13。

(a、d) 520 W、(b、e) 620 W、および (c、f) 1090 W のポンプ電力の下での繰り返し率の関数としての出力パルスのエネルギーとパルス幅。

図２の結果は、パルスエネルギーのＯＣ反射率への依存性が、十分に高い繰り返し率および低いポンプパワーの場合にのみ顕著であることを示している。パルス幅は、すべてのポンプ出力およびすべての OC の繰り返し率に応じて増加します。もちろん、やはり、この効果はポンピングパワーが低いほど顕著になります。最も重要な結果は、OC 反射率が増加するにつれて分岐境界がより高い繰り返し率に向かって移動することです。 1090 Wのポンプパワーの場合、レーザーのエネルギーとパルス幅はOC反射率93%と95%で大きく変わらないことに注意してください。

パルス対CW平均パワー比は、レーザー媒体から効率的なパルスを生成する能力を示す重要なパラメータです。図 3 では、このパラメータが 3 つの OC と 2 つの異なるポンプ出力について比較されています。調査したすべての OC で、損失パワーは繰り返し率とともに減少し、反射率 93% の OC では CW からパルスへの変換率が高くなります。どちらのポンプ出力でも、十分に高い繰り返し率ではこの変換率の増加率が低下することがわかります。

異なる OC と 520 および 620 W の 2 つのポンプパワーのパルス対 CW 平均パワー比と繰り返しレート。

520 Wのポンプパワーに対する数値シミュレーションの結果が図4に示されています。使用されたパラメータは、図2aの実験条件に従って選択されました。シミュレーションにより、特定の周波数を超えるパルスエネルギーの不規則な挙動が明らかになりました。この特定の繰り返し率を超えると、レーザーパルス列が不安定になり、複数のエネルギーのパルス出力が観察されます。この挙動と同様の現象が、能動的 Q スイッチファイバーレーザー 29、受動的 Q スイッチ固体レーザー 37、および再生増幅器 38 でも報告されています。

520 W のポンプ出力と 3 つの異なる OC 反射率における、パルス列内のパルスのエネルギーと繰り返しレートの数値予測。

パルスの安定動作の周波数範囲の数値予測を図 2 の実験と比較すると、理論的結果と実験的結果がほぼ一致していることがわかります。ただし、実験では、シミュレーションよりもわずかに高い繰り返し率で分岐挙動が見られます。このレーザーは、他の OC と比較して 95% の OC 反射率を備え、高い繰り返し率で安定して動作することに注意してください。シミュレーション結果によると、より高い OC 反射率が使用されると、各ポンプパワーで不安定性の境界がより高い繰り返しレートに向かって移動します。ただし、このモデルでは、より高いパルスエネルギー値が予測されます。これは、レーザー動作の温度依存性 39 やレーザープロファイルの横方向分布を無視するなど、理論モデルで考慮された単純化によるものです。

図 5 は、520 W のポンプパワー、4.5 kHz の繰り返し率、90% の ROC でのレーザー出力のシミュレーション結果を示しています。反転分布密度と共振器内強度、およびシミュレーションと同様のレーザー実験で測定されたフォトダイオード信号がすべてこの図に示されています。また、実験における AO 変調器の印加電圧に加えて、Q スイッチングによる共振器の変調損失も図に示されています。これらの動作条件下では、レーザーは 2 つのカテゴリーのパルスを生成します。小さいパルスは大きいパルスの前に放射されます (小さいパルスは図 5c のスケールでははっきりと見えません)。図 5c から、シミュレーションで見られたものと同様のパルス列が実験で測定されており、理論と実験がよく一致していることがわかります。

(a) 上部レーザーレベルの人口密度の時間変化、(b) 変調損失と計算された共振器内強度、(c) AO を駆動するために印加されたサンプル TTL 電圧に加えて測定されたレーザー出力パルス細胞。

より高いポンプパワー密度の下でレーザーからの最大平均パワーを達成するには、OC反射率と最大許容繰り返しレートの間の妥協点を見つける必要があります。シミュレーション結果は、90、93、および95%のOC反射率に対して1100 Wのポンプパワーで、レーザーがそれぞれ10.40、11.80、12.30 kHzまで安定して動作できることを示しました。これらの値は、最大ポンプパワー 1220 W の下で、それぞれ 11.90、13.25、および 13.90 kHz 近くまで増加します。さらに、このポンプパワーの下で、93% の反射率を持つ OC は、他の OC と比較して最大出力パワーを生成します。これらの発見に基づいて、最大 1220 W の励起パワー下で 3 つの異なる OC に対して多くの実験が実行され、レーザー出力特性が記録されました。

図 6 は、90、93、95% の 3 つの OC 反射率における、測定されたパルスエネルギーのポンプパワー (図 6a) と繰り返し率 (図 6b) への依存性を示しています。結果は、パルス安定性境界が OC の反射率に依存していることを明確に示しています。たとえば、図6bに示すように、90％OCおよび1220Wのポンプパワーの場合、パルスエネルギーの分岐は11.0kHz付近で観察されますが、93％OCの場合、この値は12.0kHz付近になります。

(a) 異なる繰り返し率と OC カプラのポンプ電力密度の関数としての出力パルスのエネルギー。 (b) 異なる OC および 1220 W のポンプ出力における繰り返し率の関数としてのパルスエネルギー。

シミュレーションと実験結果によると、レーザーの最大平均パワーは 93% の反射率を持つ OC によって生成されました。もちろん、レーザーの安定動作下で透過率の低い OC を使用すると、効率が低下するという欠点があります。図6bでは、frepに対するパルスエネルギーの依存性が、最大ポンプパワー1220Wの下で異なるOCについて比較されています。93％と95％の両方のOCが、Qスイッチングの究極の周波数を決定する同じ安定境界を持っていることがわかります。 93% OC のレーザーエネルギーが最大であったため、この場合のレーザーの特性を詳細に決定し、その結果を以下に示します。

図 7 は、93% の OC 反射率におけるいくつかのポンプパワーにおけるパルス幅の変化と Q スイッチング繰り返し率を示しています。この図に示されているように、パルスの持続時間は約 1 マイクロ秒であり、特に低い繰り返しレートでは、繰り返しレートとともに増加します。パルス幅もポンプパワーとともに減少します。この動作は、パルスエネルギーが高い、繰り返しレートが低い場合に顕著です。実際、入射ポンプパワーが飽和パワー未満になると、パルス持続時間はポンプ強度に強く依存します。これは主に、反転分布の増加と Q スイッチングのパルス立ち上がり時間の減少によるものです。ポンプパワーレベルが高くなると、ポンピングが飽和近くに達し、パルス持続時間の繰り返しレートへの依存性が小さくなります。これは、Q スイッチレーザーではよく知られた動作です。実際、1000 W を超えるポンプ出力では、11.0 kHz を超える繰り返し率でパルス幅の増加が緩やかに停止することがわかります。

さまざまなポンプパワーにおける出力パルスの時間幅と Q スイッチング繰り返し率の変化。ＯＣ反射率は９３％であった。

さらに、OC透過率の増加に伴ってパルス幅が変化することが観察された。ただし、93% OC と 95% OC で測定された値の差はわずかです。特に、観察された傾向は、Q スイッチレーザーのさまざまな導出条件下でのパルス持続時間の挙動に関する以前の報告と一致しています 13,17。注目すべきことに、最大平均パワーは、1220 Wのポンプパワーの下で93%の出力ミラーを使用して達成されました。

図 8 は、93% の OC 反射率での、さまざまなポンプパワーでのレーザーの平均パワーと繰り返し率の関係を示しています。最大平均パワーは、1180 および 1220 W の 2 つのポンプパワーで得られました。Ppump = 1180 W の場合、9.50 ～ 10.5 kHz の繰り返し率の間で、平均パワーは 403 W で、レーザーパルスはさまざまな条件に対して安定しています。最大 10.5 kHz の繰り返しレート。ただし、10.5 kHz を超えると、平均パワーは約 380 W までわずかに減少し、不安定なパルス領域が始まりました。ポンプ出力を 1220 W に増加すると、繰り返し周波数 12.0 kHz まで安定したパルスが得られました。

ROC 93% の 2 つの異なるポンプ密度におけるレーザーの平均パワーと繰り返し率の関係。

最大平均パワー403WはQスイッチ薄ディスクレーザーから得られた記録のようです。図9に示すように、レーザーの出力安定性は、パルス振幅の差が±10%未満である高繰り返しレートで非常に優れています。

1220 Wのポンプパワーおよび93%のROCに対する12.0 kHzのfrepでのレーザー出力信号。挿入図: パルス持続時間が約 1.25 μs であることを示す単一パルス時間プロファイル。

最大平均パワー 403 W の新記録を達成した AO Q スイッチ Yb:YAG 薄ディスクレーザーの設計、最適化、特性が紹介されました。パルスエネルギーの不安定性の境界は、さまざまな動作条件に対する実験とシミュレーションの両方で決定されました。どちらの場合も、出力透過率の値を制御すれば、レーザーをより高い繰り返し周波数で安定して動作させることができることが判明した。反射率 90、93、95% の 3 つの OC を利用して、より高い周波数でレーザーを動作させ、平均出力パワーを最大化しました。さまざまな動作条件下でのレーザー出力の特性が決定されています。

出力パルスの継続時間は約 1 マイクロ秒で、繰り返し率が増加すると増加し、ポンプ出力密度が増加すると減少します。 403 W の最大平均パワーは、12.0 kHz の繰り返し率、1220 W のポンプパワーおよび 93% の反射率の OC のもとで記録されました。 1.00 kHzの繰り返し周波数で57 mJの最大パルスエネルギーが測定されました。さらに、CW からパルス電力への変換は繰り返し率とともに増加し、最高値は常に 93% の出力反射率で発生します。提示された実験結果は、速度方程式に基づくシミュレーション結果と一致しています。

この研究の結果は、TDL 発振器に基づいたシンプルで経済的な高平均出力パルス産業用レーザーの開発への道を開きます。さらに、この結果は、市販の薄ディスク利得モジュールに基づく良好なビーム品質を備えた、Q スイッチ単一発振器固体レーザーの平均出力をスケールアップする上で非常に有望である可能性があります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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タルビアトモダレス大学物理学科、私書箱 14115-175、テヘラン、イラン

サイード・ラドマード & アフマド・モシャイ

イラン国立レーザー科学技術センター、私書箱 14665-576、テヘラン、イラン

カヴェ・パサンディデ

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SRとKPとAMは本作のアイデア形成に貢献しました。 SR と KP は実験を行い、シミュレーションで協力しました。 SR、KP、AM が原稿を作成し、著者全員がそれをレビューしました。 AM はこの研究を監督しました。

アフマド・モシャイへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Radmard, S.、Moshaii, A. & Pasandideh, K. 平均出力 400 W Q スイッチ Yb:YAG シンディスクレーザー。 Sci Rep 12、16918 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-20917-x

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受信日: 2022 年 6 月 20 日

受理日: 2022 年 9 月 20 日

公開日: 2022 年 10 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20917-x

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