Láser de bombeo de extremo, de alta potencia, con bombeo fuera de pico.

Un sistema láser, que comprende:

un medio de ganancia (10) que tiene una concentración de dopaje y un perfil de absorción para una eficacia de absorción en un intervalo de longitudes de onda de energía de bombeo y que tiene un eficacia de absorción máxima dentro del intervalo,

teniendo el medio de ganancia un primer extremo, un segundo extremo y una longitud de 50 milímetros o más entre el primero (11) y segundo (12) extremos;

una fuente de energía de bombeo (15; 105) que tiene una longitud de onda a la que la eficacia de absorción es menos del máximo; y

una óptica (18, 22) dispuesta para suministrar la energía de bombeo a través del primer extremo del medio de ganancia para propagar a lo largo de la longitud del medio de ganancia;

en el que la óptica, la longitud de onda de energía de bombeo, la longitud del medio de ganancia y la concentración de dopaje del medio de ganancia establecen una absorción superior a un 80 % de la energía de bombeo suministrada al medio de ganancia, y una longitud de absorción 1/e superior a un tercio de la longitud del medio de ganancia, en el que las ópticas dispuestas para suministrar la energía de bombeo se adaptan para captar la imagen de la fuente de energía de bombeo en un plano de imagen cercano al primer extremo del medio de ganancia con un tamaño de mancha, que incluye elementos ópticos dispuestos para proporcionar una cavidad resonante para proporcionar una salida láser, adaptándose en modo la cavidad resonante al tamaño de mancha de la energía de bombeo en el plano de imagen.

Láser de bombeo de extremo, de alta potencia, con bombeo fuera de pico Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a sistemas láser, y más particularmente a sistemas láser de bombeo de extremo, de alta potencia, con medios de ganancia de estado sólido.

Descripción de la técnica relacionada Se desea una salida láser de alta potencia en una amplia gama de longitudes de onda y disciplinas en los sectores científico, industrial y médico. Se han desarrollado muchos sistemas para generar alta potencia. Sin embargo, unos sistemas que generan niveles de potencia de salida en exceso de varios cientos de vatios resultan muy complejos. Asimismo, algunos sistemas generan tales altas potencias solo en detrimento de la calidad del rayo.

En sistemas de estado sólido, para generar potencias de salida más altas, se aumenta la cantidad de energía utilizada para bombear el medio de ganancia. Sin embargo, muchos medios de estado sólido presentan efecto de lente térmica u otros problemas que causan aberraciones en el rayo de salida. La energía de bombeo puede aplicarse desde el lateral del medio de ganancia, conocido como un bombeo lateral, o desde el extremo del medio de ganancia, conocido como el bombeo de extremo, en la mayoría de los sistemas. Otros sistemas crean una óptica compleja para llenar un medio de ganancia con energía de bombeo. Un bombeo lateral es relativamente ineficaz; de manera que la conversión de energía de bombeo en salida láser es baja a energías de bombeo relativamente altas. Un bombeo de extremo es más eficaz. Sin embargo, se alcanza rápidamente un límite superior para medios de ganancia de bombeo de extremo, donde una absorción rápida de energía de bombeo en un pequeño volumen en los primeros pocos milímetros del medio de ganancia causa fractura térmica. Un daño térmico a un medio de ganancia de estado sólido puede controlarse mediante técnicas de enfriamiento sofisticadas, como se emplea en los así llamados láseres de disco. Asimismo, un efecto de lente térmica que ocurre en algunos medios de ganancia de estado sólido puede controlarse mediante la inclusión de cubiertas terminales no dopadas. Una cubierta terminal no dopada unida a un medio de ganancia evita deformación en la superficie del medio de ganancia debida a la alta absorción y la generación de calor sobre la superficie.

Se han investigado técnicas que aumentan el volumen del medio de ganancia en el que se absorbe la energía de bombeo, y en el que se genera el calor resultante, para evitar daño térmico y controlar el efecto de lente térmica. Una manera de distribuir generación de calor en el medio de ganancia que se ha investigado incluye la reducción de la concentración de dopaje del material activo. A concentraciones de dopaje más bajas, se absorbe menos energía en un volumen dado. Véase, Honea et al., "Analysis of intracavity-doubled diode-pumped Q-switched Nd: YAG laser producing more than 100 W of power at 0.532 µm, " OPTICS LETTERS, Vol. 23, Nº 15, 1 agosto, 1998, páginas 1.203-1.205, en el que un canal de lente suministró la luz de bombeo de una matriz de diodo que funcionaba a 0, 808 micrómetros al extremo de un vástago de un diámetro de 0, 5 cm x 10 cm Nd: YAG (dopaje Nd de un 0, 1 %) hecho con cubiertas terminales no dopadas de 0, 5 cm.

Butterworth, Patente de los Estados Unidos Nº 6 898 231 B2, describe un láser basado en un medio de ganancia que comprende neodimio Nd dopado itrio ortovanadato ("vanadato") , en el que la energía de bombeo se fija en una longitud de onda que se absorbe con una eficacia sustancialmente menor que la de las longitudes de onda de absorción de pico, permitiendo de esta manera que penetre más la energía de bombeo en un volumen mayor del medio de ganancia antes de ser absorbida y distribuyendo el calor generado. En la patente de Butterworth, por ejemplo, el cristal de vanadato era del orden de cinco milímetros de largo, y la concentración de dopaje era relativamente alta, de aproximadamente un 0, 5 porcentaje atómico. Hardman et al., "Energy-Transfer up Conversion and Thermal Lensing and High-Power End-Pumped Nd: YLF Laser Cr y stals, " IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Volumen 35, Nº 4, abril 1999, describe un láser de bombeo longitudinal con la longitud de onda de bombeo desafinada para aumentar la longitud de absorción en el huésped YLF a aproximadamente tres milímetros. Pollnau et al., "Up Conversion-Induced Heat Generation and a Thermal Lensing in Nd: YLF and Nd: YAG, " PHYSICAL REVIEW B, Volumen 58, Nº 24, 15 diciembre 1998, p. 16.076-16.092, describe asimismo un bombeo fuera de pico para un huésped YLF, mientras que sugiere que un bombeo fuera de pico no es necesario para un huésped YAG, porque "una fractura de vástago no es un problema". (Véase, Pollnau et al., página 16.077) . Véase asimismo, Wu et al., Patente de los Estados Unidos Nº 6 347 101 B1; y Chang et al., Patente de los Estados Unidos Nº 6 504 858 B2. Las publicaciones de Wu et al., Chang et al., Butterworth, Hardman et al. y Pollnau et al. describen unos sistemas que utilizan potencias de bombeo relativamente bajas de láseres de diodo, del orden de 20 o 30 vatios. Las potencias de salida resultantes de los láseres son, por ello, relativamente pequeñas, y no adecuadas para muchas aplicaciones.

Se han conseguido salidas de alta potencia para láseres de bombeo de diodo Tm: YAG que producen salidas de longitud de onda de 2 µm y que aplican un bombeo fuera de pico con potencias de bombeo sobre 300 vatios. Unos

medios dopados Tm demuestran una relajación transversal dos por uno, mejorando la eficacia de bombeo, siempre y cuando la intensidad de bombeo sea lo suficientemente alta. Honea et al. informan sobre salidas de longitud de onda de hasta 2 µm a 115 vatios en esta configuración, con bombeo fuera de pico de un vástago dopado Tm de 45 mm de largo con dos cubiertas terminales YAG no dopadas de 5 mm de largo. Honea et al., "115-W Tm: YAG Diode-Pumped Solid-State Laser, " IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 33, Nº 9, sept. 1997, páginas 1.592-1.600.

Es deseable proporcionar un sistema láser que genere salidas de alta potencia, de alta calidad, en una configuración fabricable.

Sumario de la invención Aspectos particulares y preferidos de la presente invención se establecen en las reivindicaciones independientes y dependientes que acompañan.

Se proporciona un láser de alta calidad que produce fácilmente una potencia de salida por encima de 100 vatios utilizando una configuración láser descrita en la presente memoria, basada en un medio de ganancia de estado sólido, una fuente de energía de bombeo que está desafinada de la longitud de onda de absorción máxima para el medio de ganancia, y una óptica dispuesta para suministrar la energía de bombeo a través de un extremo del medio de ganancia para propagarse a lo largo de la longitud del medio de ganancia.

La óptica que suministra la energía de bombeo, la longitud del medio de ganancia y la concentración de dopaje en el medio de ganancia se fijan en configuraciones descritas, de manera que un 80 por ciento o más, y preferentemente más de un 90 por ciento, de la energía de bombeo se absorbe en el medio de ganancia. En configuraciones descritas, estos parámetros se designan de manera que la longitud de absorción, a la que se absorbe 1/e de la energía de bombeo, es del orden de decenas de milímetros, mayor de 50 milímetros en algunos modos de realización, y preferentemente al menos un tercio, mayor que una mitad en algunos modos de realización, de la longitud del medio de ganancia.

Unos modos de realización del sistema láser descritos en la presente memoria incluyen una fuente de energía de bombeo que suministra 500 vatios o más de energía a una longitud de onda que tiene una eficacia de absorción que es de aproximadamente un 20 por ciento o menos de una eficacia de absorción máxima para el medio de ganancia y elemento activo. Por ejemplo, se describe un sistema láser con un medio de ganancia que comprende un huésped YAG con forma de vástago con una concentración de dopaje Nd entre aproximadamente un 0, 05 y un 0, 5 porcentaje atómico, donde la longitud del huésped YAG dopado es sustancialmente mayor de 50 milímetros, como 100 milímetros, con un diámetro del orden de 10 milímetros o menos, y con una fuente de energía de bombeo que proporciona más de 500 vatios en una longitud de onda de entre 799 y 803 nanómetros. En configuraciones descritas se producen salidas dobles de intracavidad de más de 100 vatios. Una potencia de salida de más de 200 vatios a 1, 064 µm está disponible en estas configuraciones. Las configuraciones descritas en la presente memoria son escalables para producir una salida de potencias más bajas, de... [Seguir leyendo]

1. Un sistema láser, que comprende:

un medio de ganancia (10) que tiene una concentración de dopaje y un perfil de absorción para una eficacia de absorción en un intervalo de longitudes de onda de energía de bombeo y que tiene un eficacia de absorción máxima dentro del intervalo, teniendo el medio de ganancia un primer extremo, un segundo extremo y una longitud de 50 milímetros o más entre el primero (11) y segundo (12) extremos; una fuente de energía de bombeo (15; 105) que tiene una longitud de onda a la que la eficacia de absorción es menos del máximo; y una óptica (18, 22) dispuesta para suministrar la energía de bombeo a través del primer extremo del medio de ganancia para propagar a lo largo de la longitud del medio de ganancia; en el que la óptica, la longitud de onda de energía de bombeo, la longitud del medio de ganancia y la concentración de dopaje del medio de ganancia establecen una absorción superior a un 80 % de la energía de bombeo suministrada al medio de ganancia, y una longitud de absorción 1/e superior a un tercio de la longitud del medio de ganancia, en el que las ópticas dispuestas para suministrar la energía de bombeo se adaptan para captar la imagen de la fuente de energía de bombeo en un plano de imagen cercano al primer extremo del medio de ganancia con un tamaño de mancha, que incluye elementos ópticos dispuestos para proporcionar una cavidad resonante para proporcionar una salida láser, adaptándose en modo la cavidad resonante al tamaño de mancha de la energía de bombeo en el plano de imagen.

2. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia incluye un componente para redireccionar energía de bombeo que no es absorbida en el segundo extremo de vuelta a través del medio de ganancia, y más de un 90 % de la energía de bombeo se absorbe en 2 pasadas a través del medio de energía.

3. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia comprende un huésped de estado sólido con dopaje Nd, y la eficacia de absorción de la energía de bombeo es de aproximadamente un 20 % o menos de la eficacia de absorción en un pico cercano a 808 nm en el perfil.

4. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia comprende un huésped de estado sólido con dopaje Nd, y la energía de bombeo tiene una longitud de onda en un intervalo de aproximadament.

79. 803 nm.

5. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia comprende un huésped YAG con dopaje Nd en un intervalo de aproximadamente un 0, 2 a aproximadamente un 0, 4 por ciento atómico. 35

6. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia comprende un huésped de estado sólido dopado, y que incluye una cubierta terminal no dopada (13) en el primer extremo.

7. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que el medio de ganancia comprende un huésped de estado sólido

dopado, e incluye una cubierta terminal no dopada (13) en el primer extremo y una cubierta terminal no dopada (14) en el segundo extremo.

8. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que la fuente de energía de bombeo comprende una matriz de diodos láser. 45

9. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que la fuente de energía de bombeo suministra aproximadamente 500 vatios o más.

10. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que los elementos ópticos comprenden un componente para

conversión de frecuencia para proporcionar una salida láser convertida de frecuencia, en el que la energía de bombeo es suficiente para generar la salida láser convertida de frecuencia a más de 100 vatios.

11. El sistema láser de la reivindicación 1, en el que la energía de bombeo es suficiente para generar una salida láser a más de 100 vatios con M2 de menos de 30. 55

12. El sistema láser de la reivindicación 1, que incluye una segunda fuente de energía de bombeo (106) y una óptica (108) dispuestas para suministrar la energía de bombeo de la segunda fuente a través del segundo extremo del medio de ganancia para que se propague a lo largo de la longitud del medio de ganancia.

13. El sistema láser de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de absorción 1/e es de 50 milímetros o más.