辐射平衡激光器 Radiation-balanced lasers

2023-02-22 10:08:53 浏览:919

定义

增益介质中产生的热量通过同一介质中的光学制冷进行补偿的激光器。

高功率激光器的一个常见问题是应对激光增益介质中产生的热量,这可能会导致许多有害影响,包括热断裂和热透镜。 通常的方法是尽量减少和/或有效地去除废热。 辐射平衡激光器(或无热激光器)的替代概念由华盛顿特区海军研究实验室的Steven R. Bowman[1]发明,旨在通过完全消除热负荷来完全消除这些热问题。 这是通过使用光学制冷原理实现的。 如果满足某些条件,荧光冷却可以完全补偿与激光发射相关的热量。 泵浦的光子能量必须高于激光辐射的能量(像往常一样),但也低于平均荧光光子能量(这是不寻常的)。

熵考虑

考虑激光的熵平衡很有趣。 泵浦光到激光的转换与熵的减少有关,主要是因为光是从许多模式收集的,并集中在辐射场的少数模式中。 在传统激光器中,与散热相关的熵产生可以补偿这一点。 在辐射平衡激光器中,后一种机制并不存在,但在荧光中产生足够的熵,以避免打破热力学第二定律,该定律要求总熵不能减少。

现状与展望

这项研究的现状是,辐射平衡激光器的概念已经在理论上进行了一些详细的研究[1,3](使用热力学原理),已经研究了合适的材料(主要是掺镱激光增益介质)[2],并且已经证明了具有减少(但尚未完全补偿)内部加热的激光器[4]。 完全辐射平衡的激光器尚未得到证明。

各种实际问题被证明是相当严重的。

不幸的是,辐射平衡激光器的概念引入了许多限制,这使得实现实用的高功率辐射平衡激光器变得困难。 首先,增益介质必须具有合适的吸收和发射光谱,并且必须表现出低寄生加热(高量子效率,低寄生吸收)。 必须适当选择泵浦和激光波长。 此外,还有各种权衡和限制,这种形式在传统激光器中不存在。 例如,这些权衡限制了可实现的增益和(也许更重要的是)激光器的功率效率:冷却机构需要大量的荧光,带走大量功率,因此在大多数考虑的配置中可实现的最大效率不会显着超过30% - 而一些传统的高功率激光器(例如薄盘激光器和光纤激光器) 可以更有效率。 此外,增益介质的横向延伸(以及可实现的输出功率)受到避免荧光过度重吸收(这会干扰冷却过程)的要求的限制。

尽管这个概念的实际相关性可能相当有限,但这个概念在理论上很有趣,处理它提高了对激光热力学方面的理解,也提高了对各种基本局限性的理解。 寻找合适的增益介质也为光学制冷带来了其他环境的好处。

参考文献

[1] S. R. Bowman, “Lasers without internal heat generation”, IEEE J. Quantum Electron. 35 (1), 115 (1999), doi:10.1109/3.737628
[2] S. R. Bowman and C. E. Mungan, “New materials for optical cooling”, Appl. Phys. B 71, 807 (2000), doi:10.1007/s003400000416
[3] C. E. Mungan, “Thermodynamics of radiation-balanced lasing”, J. Opt. Soc. Am. B 20 (5), 1075 (2003), doi:10.1364/JOSAB.20.001075
[4] S. R. Bowman et al., “Ytterbium laser with reduced thermal loading”, IEEE J. Quantum Electron. 41 (12), 1510 (2005), doi:10.1109/JQE.2005.858796
[5] S. R. Bowman et al., “Minimizing heat generation in solid-state lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 46 (7), 1076 (2010), doi:10.1109/JQE.2010.2043415
[6] Z. Yang et al., “Radiation-balanced Yb:YAG disk laser”, Opt. Express 27 (2), 1392 (2019), doi:10.1364/OE.27.001392

激光器

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