ディスクレーザー

ディスクレーザーまたはアクティブミラー（図1）は、ダイオード励起固体レーザーの一種で、ヒートシンクとレーザー出力がアクティブゲイン媒体の薄い層の反対側に実現されているのが特徴です。^[1]その名前にもかかわらず、ディスクレーザーは円形である必要はなく、他の形状も試されています。ディスクの厚さは、レーザービームの直径よりもかなり小さいです。当初、このレーザーキャビティ構成が提案され^[2]、薄スライス半導体レーザーで実験的に実現されました。^[3]

ディスクレーザーのコンセプトでは、その大きな面積により 平均出力とピーク出力が非常に高くなり^{[4] 、活性材料上の出力密度が適度になります。}

当初、ディスク レーザーはアクティブ ミラーと呼ばれていました。これは、ディスク レーザーのゲイン媒体が本質的に反射係数が1 より大きい光学ミラーであるためです。アクティブ ミラーは、薄いディスク形状の二重パス光増幅器です。

最初のアクティブミラーはレーザーエネルギー研究所 （米国）で開発されました。^[6] スケーラブルなダイオード端面励起ディスクNd:YAGレーザーは、^[7]でタルボットアクティブミラー構成で提案されました。^[8]

その後、このコンセプトは様々な研究グループ、特にシュトゥットガルト大学（ドイツ）^[9]でYbドープガラス向けに開発されました。

ディスクレーザーでは、ヒートシンクは透明である必要がないため、デバイスの横方向のサイズが大きくても非常に効率的です（図1）。サイズが大きくなると、設計を大幅に変更することなく、出力を数キロワットにスケーリングできます。^[10]${\displaystyle ~L~}$

このようなレーザーの出力は、利用可能なポンプ出力だけでなく、過熱、増幅された自然放出光 （ASE）、およびバックグラウンドの往復損失によっても制限されます。^[11] 過熱を回避するには、出力スケーリングとともにサイズを大きくする必要があります。次に、ASEの指数関数的増加による大きな損失を回避するために、横方向の往復利得 を大きくすることはできません。これには、利得を減らす必要があります。この利得は、出力カプラの反射率と厚さによって決まります。往復利得は、往復損失よりも大きくする必要があります （この差によって、各往復でレーザーキャビティから出力される光エネルギーが決まります）。与えられた往復損失で利得を減らすには、厚さを増やす必要があります。次に、ある臨界サイズでディ​​スクが厚くなりすぎて、過熱せずにしきい値を超えてポンプすることができなくなります。 ${\displaystyle ~L~}$${\displaystyle ~u=GL~}$${\displaystyle G~}$${\displaystyle ~h}$ ${\displaystyle ~g=2Gh~}$ ${\displaystyle \beta ~}$${\displaystyle g\!-\!\beta ~}$${\displaystyle G~}$ ${\displaystyle ~\beta ~}$${\displaystyle h}$

パワースケーリングのいくつかの特徴は、単純なモデルから明らかになります。 を媒体の飽和強度 、[11] [12] 、 を周波数比^、を熱 負荷パラメータとします。重要なパラメータは ディスクレーザーの最大パワーを決定します。対応する最適な厚さは で推定できます 。対応する最適なサイズ です 。おおよそ、往復損失は必要なパワーの 3 乗根に反比例して拡大するはずです。 ${\displaystyle Q~}$ ${\displaystyle \eta_{0}=\omega_{\rm{s}}/\omega_{\rm{p}}~~}$${\displaystyle R~}$${\displaystyle P_{\rm {k}}=\eta _{0}{\frac {R^{2}}{Q\beta ^{3}}}~}$${\displaystyle h\sim {\frac {R}{Q\beta }}}$${\displaystyle L\sim {\frac {R}{Q\beta ^{2}}}}$

もう一つの課題は、ポンプエネルギーの効率的な供給である。往復利得が低い場合、ポンプの単一パス吸収も低くなる。したがって、効率的な動作にはポンプエネルギーのリサイクルが必要である。（図2の左側にある追加のミラーMを参照）。パワースケーリングのためには、媒体は光学的に薄く、ポンプエネルギーのパスが多数必要となる。ポンプエネルギーの横方向供給 ^[12] も可能な解決策かもしれない。

薄型ディスクダイオード励起固体レーザーは、タルボット共振器における横方向モード同期によってスケーリングすることができる。^[8]タルボットスケーリングの注目すべき特徴は、自己結像によって位相同期された要素レーザーアレイのフレネル数が 次のように与えられることである。^[7]${\displaystyle F}$${\displaystyle N-}$

${\displaystyle F=(N-1)^{2}.}$

位相同期エミッターの数の制限は、アクティブミラー全体にランダムに分布する位相歪みによるものである。 ^[13]${\displaystyle N}$${\displaystyle \lambda /10\div \lambda /100}$

ASE の影響を減らすために、ディスクレーザーの表面にドープされていない材料でできた ASE 防止キャップを取り付けることが提案されている。^{[15] [16]} このようなキャップにより、自発的に放出された光子が活性層から逃げることができ、キャビティ内で共振するのを防ぐことができる。光線は、覆われていないディスクのように跳ね返ることはできない (図 3)。これにより、ディスクレーザーで達成可能な最大出力を 1 桁増やすことができる。^[14]どちらの場合も、ディスクの端からの ASE の後方反射を抑制する必要がある。これは、図 4 で緑色で示されている吸収層を使用して行うことができる。最大出力に近い動作では、エネルギーのかなりの部分が ASE に流れ込むため、吸収層にもヒートシンクを取り付ける必要があるが、これは図には示されていない。

与えられた損失 で達成可能な最大出力の推定値は に非常に敏感です。所望の出力が達成可能な の上限の推定値は堅牢です。 この推定値は、図 5 に正規化された出力に対してプロットされています 。 ここで、はレーザーの出力、 は 出力の次元スケールです。これは、重要なパラメータ と関連しています 。 太い破線は、カバーされていないディスクの推定値を表します。 太い実線は、ドープされていないキャップを持つディスクの推定値を示します。 細い実線は、係数のない定性的な推定値を表します。 円は、達成された出力の実験データと、バックグラウンド損失 の対応する推定値に対応します。 今後のすべての実験と数値シミュレーションおよび推定では、 の値が、カバーされていないディスクの場合は図 5 の赤い破線より下、アンチ ASE キャップを持つディスクの場合は青い曲線より下になると予想されます。 これは、ディスクレーザー のスケーリング則として解釈できます。^[17]${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle P_{\rm {s}}}$${\displaystyle s=P_{\rm {s}}/P_{\rm {d}}}$${\displaystyle P_{\rm {s}}}$${\displaystyle P_{\rm {d}}=R^{2}/Q}$${\displaystyle P_{\rm {k}}=P_{\rm {d}}/\beta ^{3}}$${\displaystyle \beta =s^{1/3}}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle (\beta ,s)}$

前述の曲線の付近では、ディスク レーザーの効率は低く、ポンピング パワーのほとんどが ASE に送られ、デバイスの端で吸収されます。このような場合、利用可能なポンプ エネルギーを複数のディスクに分散すると、レーザーのパフォーマンスが大幅に向上する可能性があります。実際、いくつかのレーザーでは、同じキャビティ内で複数の要素を組み合わせて使用​​していると報告されています。

同様のスケーリング則がパルス動作にも当てはまる。準連続波モードでは、最大平均パワーは、飽和強度をポンプの充填係数、およびポンプの持続時間と繰り返し率の積でスケーリングすることによって推定できる。持続時間の短いパルスでは、より詳細な分析が必要である。^[18] 繰り返し率が中程度の値（たとえば、1 Hz より高い）では、出力パルスの最大エネルギーは、バックグラウンド損失の 3 乗にほぼ反比例します。非ドープキャップは、このキャップがバックグラウンド損失に寄与しないという条件下で、平均出力パワーをさらに 1 桁増加させることができます。繰り返し率が低く（単一パルスのモード）、ポンプパワーが十分である場合、エネルギーの一般的な制限はありませんが、必要なパルスエネルギーが増加すると、必要なデバイスのサイズが急速に大きくなり、エネルギーの実用的な制限が設定されます。ディスク内の信号の背景内部損失のレベルに応じて、単一の能動素子からの光パルスで数ジュールから数千ジュールを抽出できると推定されている。^[19]${\displaystyle \beta}$

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