Residual pump diagnostics of lasing-state absorption in multipass pumped Yb:YAG thin-disk lasers

Resumen Técnico: Diagnóstico de la Absorción en Estado de Lase mediante la Bomba Residual en Láseres de Disco Delgado de Yb:YAG con Bombeo de Multipasos

Planteamiento del Problema
Los láseres de disco delgado (TD) de alta potencia dependen de una eliminación eficiente del calor, pero su diseño requiere estimaciones precisas de la potencia de bombeo absorbida y de la carga térmica local bajo condiciones reales de las de. En sistemas de Yb:YAG con bombeo de multipasos, la absorción de la bomba no es un parámetro de material fijo; está acoplada dinámicamente a la inversión de población, la emisión estimulada, la emisión espontánea amplificada (ASE) y los efectos térmicos. Los enfoques de diseño tradicionales suelen basarse en coeficientes de absorción de señal pequeña a temperatura ambiente, los cuales no logran considerar la absorción neta dependiente de la inversión y los fenómenos de reabsorción presentes en sistemas de cuasi-tres niveles. En consecuencia, existe la necesidad de un método de diagnóstico que pueda caracterizar la absorción en el "estado de las de" y la carga térmica asociada para mejorar el escalado de potencia y el diseño del resonador.

Metodología
Los autores proponen el uso de la potencia de bomba residual tras una secuencia de multipasos como un observable de diagnóstico espacialmente integrado para el estado de absorción. El estudio emplea un modelo de ecuaciones de tasa de cuasi-tres niveles acoplado con el flujo de bomba acumulado, el flujo de señal intracavidad y un término de agotamiento inducido por ASE efectivo.

El marco teórico opera a través de cuatro pasos acoplados:

1. Cálculo de la Inversión de Población: Resolución de las ecuaciones de tasa para las poblaciones de los niveles superior e inferior de la transición ($N_2$ y $N_1$) en un dominio temporal discretizado sincronizado con la secuencia de bombeo de multipasos.
2. Absorción Dependiente de la Inversión: Evaluación del coeficiente de absorción efectivo de la banda de bombeo ($\alpha_{eff}$), el cual varía con la relación de inversión instantánea ($\beta$) e incluye el agotamiento inducido por ASE.
3. Modelado de la Señal Intracavidad: Cálculo del flujo de fotones de la señal, distinguiendo entre condiciones de no-las de (NL) (donde solo contribuye la ASE) y condiciones de las de multimodo (MM) (don donde se incluyen la emisión estimulada y el bloqueo de ganancia).
4. Estimación de la Carga Térmica: Derivación de la carga térmica volumétrica ($\dot{Q}$) basada en las transiciones de energía neta, contabilizando la absorción de la bomba, la extracción de la señal y el intercambio de energía de la ASE.

El modelo fue implementado numéricamente en MATLAB y validado contra datos experimentales de dos discos delgados de Yb:YAG (TD1: 189 µm, 8.0 at.% de dopaje; TD2: 215 µm, 7.0 at.% de dopaje) en un módulo de bombeo de 32 pases. El montaje experimental midió tanto la potencia de bomba residual como la potencia de salida de la señal bajo condiciones NL y MM.

Resultos Clave

• Precisión del Diagnóstico: El modelo reprodujo con éxito las fracciones de bomba residual medida con un error relativo máximo del 2.4% en condiciones de no-las de y del 1.8% en condiciones de las de multimodo. La potencia de salida predicha mostró un error relativo del 1.3% a través de todo el rango de operación de alta potencia.
• Dinámica de Absorción: El análisis confirmó que la emisión estimulada en el estado de las de reduce la inversión de población en estado estacionario, aumentando así la absorción efectiva de la banda de bombeo en comparación con el caso de no-las de. Sin embargo, la absorción efectiva se mantuvo por debajo del valor de señal pequeña a temperatura ambiente debido a la reabsorción y los efectos de temperatura.
• Implicaciones de la Carga Térmica: Se encontró que la carga térmica volumétrica calculada, que incluye la absorción dependiente de la población y los efectos de la ASE, es hasta un 40% mayor que las estimaciones basadas únicamente en el defecto cuántico. El estudio estableció un rango para las estimaciones de la carga térmica comparando escenarios con y sin escape de ASE, destacando que la carga térmica real depende de la fracción de la ASE que es reabsorbida frente a la que escapa del volumen de ganancia.
• Tendencias de Diseño: El estudio demostró que los diseños de bombeo basados únicamente en la absorción de señal pequeña pueden ser insuficientes para la operación de alta potencia, sugiriendo un margen de absorción de aproximadamente 10–20%. Además, el análisis de la transmisión del acoplador de salida y el número de pases de bomba reveló compensaciones entre la potencia de salida, la potencia intracavidad y la carga térmica, indicando que optimizar solo para la potencia de salida puede conducir a un exceso de potencia intracavidad y problemas térmicos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la potencia de bomba residual sirve como un diagnóstico práctico y experimentalmente accesible para el estado de absorción en láseres de disco delgado con bombeo de multipasos. Al tratar la bomba residual no meramente como un término de pérdida, sino como una restricción sobre el medio de ganancia, los autores proporcionan un método para distinguir entre la absorción de señal pequeña, de no-las de y de estado de las de.

Los autores afirman que este enfoque ofrece orientación práctica para:

• Diseño del módulo de bombeo: Determinar el número necesario de pases de bomba para lograr una alta absorción en presencia de la inversión del estado de las de.
• Acoplamiento de salida: Seleccionar la transmisión del acoplador de salida que equilibre la potencia de salida frente a la potencia intracavidad y la carga térmica.
• Gestión de la ASE: Evalenciar el impacto de la ASE en el agotamiento de la inversión y la carga térmica en el escalado de alta potencia.

El trabajo enfatiza que, si bien la carga térmica calculada proporciona tendencias valiosas, no es una predicción de temperatura validada sin campos ópticos espacialmente resueltos y condiciones de contorno termomecánicas. No obstante, el enfoque basado en la bomba residual cierra la brecha entre los modelos simples de señal pequeña y la compleja realidad de la operación de láseres de cuasi-tres niveles de alta potencia.