Para lograr las energías de pulso más altas y las duraciones de pulso más cortas, un láser conmutado por Q debe operarse a bajas tasas de repetición de pulso. Específicamente, la tasa de repetición debe mantenerse por debajo del inverso del tiempo de vida del estado superior del medio de ganancia. Esta temporización permite que el medio láser almacene la máxima cantidad de energía antes de que se libere el pulso.
Al limitar la frecuencia de los pulsos, se permite que el medio de ganancia tenga tiempo suficiente para poblar completamente su estado de energía superior. Si bien esto maximiza la intensidad de los pulsos individuales, fundamentalmente requiere sacrificar la potencia de salida promedio.
El papel fundamental de la tasa de repetición
Optimización del almacenamiento de energía
El mecanismo fundamental para pulsos de alta energía es el almacenamiento efectivo de energía dentro del medio de ganancia.
Al operar a una baja tasa de repetición, el sistema extiende el intervalo de tiempo entre pulsos. Esta duración debe corresponder a la capacidad del medio para retener energía, regida por su tiempo de vida del estado superior.
El límite del inverso del tiempo de vida
Para un rendimiento óptimo, la tasa de repetición de pulso debe ser inferior al inverso del tiempo de vida del estado superior.
Si la tasa excede este límite, el medio no tiene tiempo suficiente para reponer completamente sus reservas de energía. Los pulsos resultantes serán más débiles y más largos que el máximo teórico del sistema.
Ingeniería para la energía y duración del pulso
Conmutación activa vs. pasiva
Generalmente se requiere conmutación Q activa para lograr las energías de pulso más altas posibles.
Los conmutadores activos permiten un control preciso sobre el tiempo del obturador, manteniendo la cavidad cerrada hasta que se logre la inversión de población completa. En contraste, los conmutadores pasivos liberan energía tan pronto como el absorbente se satura, lo que puede ocurrir antes de que el medio se cargue por completo.
La necesidad de resonadores cortos
Para minimizar la duración del pulso, la geometría física del láser es significativamente importante.
Un resonador láser corto reduce el tiempo de ida y vuelta de la luz dentro de la cavidad, lo que resulta en pulsos más estrechos y cortos. Los láseres de microchip son un ejemplo de esto, utilizando resonadores extremadamente cortos para producir los pulsos más cortos posibles, aunque a menudo con niveles de energía moderados.
El requisito de alta ganancia
Las duraciones de pulso cortas también requieren estrictamente un medio de ganancia con alta ganancia láser.
Una alta ganancia asegura que el pulso se construya rápidamente una vez que se abre el conmutador Q. Los láseres de estado sólido compactos bombeados por extremo a menudo brindan el mejor equilibrio aquí, ofreciendo alta ganancia que produce pulsos a escala de nanosegundos con energías a nivel de milijulios.
Comprender las compensaciones
Potencia promedio vs. Energía pico
Existe una compensación inevitable entre la energía de un solo pulso y la potencia total de salida a lo largo del tiempo.
Como se indica en el principio operativo principal, maximizar la energía del pulso requiere reducir la tasa de repetición. En consecuencia, este enfoque resulta en una potencia de salida promedio algo reducida para el sistema.
Ganancia vs. Capacidad de almacenamiento
La selección de un medio de ganancia a menudo implica elegir entre la energía del pulso y la duración del pulso.
Los medios dopados con iterbio (como Yb:YAG) ofrecen largos tiempos de vida del estado superior, lo que los hace excelentes para almacenar alta energía. Sin embargo, generalmente poseen una ganancia menor que los medios dopados con neodimio (como Nd:YAG), lo que puede resultar en duraciones de pulso más largas.
Limitaciones de la arquitectura
Las diferentes arquitecturas de láser sobresalen en diferentes métricas, lo que hace imposible un láser "perfecto" para todo.
Los láseres de disco delgado permiten energías de pulso muy altas, pero su ganancia relativamente pequeña los hace inadecuados para generar pulsos muy cortos. Por el contrario, los láseres de microchip ofrecen velocidad pero carecen del volumen para un almacenamiento masivo de energía.
Tomando la decisión correcta para su objetivo
Al diseñar o seleccionar un sistema conmutado por Q, debe priorizar sus requisitos físicos específicos.
- Si su enfoque principal es la Energía Máxima del Pulso: Priorice la conmutación Q activa y las bajas tasas de repetición para garantizar la inversión de población completa antes de cada disparo.
- Si su enfoque principal es la Duración de Pulso Más Corta: Seleccione un sistema con una longitud de resonador corta (como un láser de microchip) y un medio de alta ganancia.
- Si su enfoque principal es el Escalado de Energía Extrema: Utilice una arquitectura de Oscilador Maestro Amplificador de Potencia (MOPA) para amplificar pulsos más allá de los límites de un solo oscilador.
- Si su enfoque principal es un Equilibrio entre Velocidad y Potencia: Considere láseres compactos de estado sólido bombeados por extremo que combinan alta ganancia para pulsos cortos con capacidad de energía a nivel de milijulios.
El éxito depende de alinear los parámetros físicos del láser —específicamente la tasa de repetición y el diseño de la cavidad— con la métrica singular que más valora.
Tabla resumen:
| Factor de optimización | Requisito para energía máxima | Requisito para duración corta |
|---|---|---|
| Tasa de repetición | Baja (< 1/tiempo de vida del estado superior) | Menos crítico que la ganancia |
| Método de conmutación | Conmutación Q activa | Conmutación de alta velocidad |
| Longitud del resonador | Estándar/Más larga para energía | Corto (ej. Microchip) |
| Medio de ganancia | Alta capacidad de almacenamiento (ej. Yb:YAG) | Alta ganancia (ej. Nd:YAG) |
| Potencia promedio | Reducida/Sacrificada | Variable |
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