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

Technische Samenvatting: Diagnostiek van residuële pompabsorptie in de laseerstand van multi-pass gepompte Yb:YAG thin-disk lasers

Probleemstelling
Krachtige thin-disk (TD) lasers vertrouwen op efficiënte warmteafvoer, maar hun ontwerp vereist nauwkeurige schattingen van het geabsorbeerde pomppracht en de lokale warmtelast onder werkelijke lasecondities. In multi-pass gepompte Yb:YAG-systemen is pompabsorptie geen vaste materiaaleigenschap; het is dynamisch gekoppeld aan de populatie-inversie, gestimuleerde emissie, spontane emissie (ASE) en thermische effecten. Traditionele ontwerpaanpakken vertrouwen vaak op absorptiecoëfficiënten bij kamertemperatuur voor het kleine-signaal, die geen rekening houden met de inversie-afhankelijke netto absorptie en reabsorptieverschijnselen die aanwezig zijn in quasi-drielaagsystemen. Daarom is er behoefte aan een diagnostische methode die de "laseerstand"-absorptie en de daarmee samenhangende warmtelast kan karakteriseren om vermogensschaling en resonatorontwerp te verbeteren.

Methodologie
De auteurs stellen voor om het residuele pomppracht na een multi-pass sequentie te gebruiken als een ruimtelijk geïntegreerde diagnostische observeerbare voor de absorptietoestand. De studie maakt gebruik van een quasi-drielaags toestandsvergelingsmodel gekoppeld aan de geaccumuleerde pompflux, intracaviteit signaalflux en een effectieve ASE-geïnduceerde uitputtingsterm.

Het theoretische kader werkt via vier gekoppelde stappen:

1. Populatie-inversie berekening: Het oplossen van toestandsvergelijkingen voor de populaties van de bovenste en onderste laserlagen ($N_2$ en $N_1$) in een gediscretiseerd tijdsdomein dat gesynchroniseerd is met de multi-pass pompsequentie.
2. Inversie-afhankelijke absorptie: Het evalueren van de effectieve pompband-absorptiecoëfficiënt ($\alpha_{eff}$), die varieert met de instantane inversieratio ($\beta$) en inclusief de ASE-geïnduceerde uitputting is.
3. Intracaviteit signaalmodellering: Het berekenen van de signaalfotonflux, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen niet-lasecondities (NL) (waarbij alleen ASE bijdraagt) en multimode lasecondities (MM) (waarbij gestimuleerde emissie en gain clamping worden meegerekend).
4. Warmtelast schatting: Het afleiden van de volumetrische warmtelast ($\dot{Q}$) op basis van netto energieovergangen, rekening houdend met pompabsorptie, signaalextractie en ASE-energieuitwisseling.

Het model werd numeriek geïmplementeerd in MATLAB en gevalideerd tegen experimentele gegevens van twee Yb:YAG thin disks (TD1: 189 µm, 8,0 at.% doping; TD2: 215 µm, 7,0 at.% doping) in een 32-pass pompmodule. De experimentele opstelling mat zowel het residuele pomppracht als het signaaluitgangsvermogen onder NL- en MM-condities.

Belangrijkste Resultaten

• Diagnostische Nauwkeurigheid: Het model reproduceerde succesvol de gemeten residuele pomffracties met een maximale relatieve fout van 2,4% in niet-lasecondities en 1,8% in multimode lasecondities. Het voorspelde uitgangsvermogen vertoonde een relatieve fout van 1,3% over het hoogvermogensbereik.
• Absorptiedynamiek: De analyse bevestigde dat gestimuleerde emissie in de laseerstand de stationaire populatie-inversie vermindert, waardoor de effectieve pompband-absorptie ten opzichte van de niet-laseconditie toeneemt. De effectieve absorptie bleef echter onder de kleine-signaalwaarde bij kamertemperatuur door reabsorptie en temperatuureffecten.
• Implicaties voor Warmtelast: De berekende volumetrische warmtelast, die populatie-afhankelijke absorptie en ASE-effecten bevat, bleek tot wel 40% hoger te zijn dan schattingen gebaseerd uitsluitend op de kwantumdefect. De studie stelde een bereik voor warmtelastberekeningen vast door scenario's met en zonder ASE-ontsnapping te vergelijken, waarbij werd benadrukt dat de werkelijke afgegeven warmte afhangt van het deel van de ASE dat wordt geabsorbeerd versus datgene dat de gain-volumes ontsnapt.
• Ontwerptrends: De studie toonde aan dat pomp-pass ontwerpen gebaseerd op enkel kleine-signaalabsorptie ontoereikend kunnen zijn voor hoogvermogensbedrijf, wat wijst op een noodzakelijke absorptie-budgetallocatie van ongeveer 10–20%. Bovendien onthulde de analyse van de output-coupler transmissie en het aantal pomp-passes de trade-offs tussen uitgangsvermogen, intracaviteit vermogen en warmtelast, wat aangeeft dat optimaliseren voor enkel uitgangsvermogen kan leiden tot excessief intracaviteit vermogen en thermische problemen.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat residueel pomppracht dient als een praktisch, experimenteel toegankelijk diagnostisch middel voor de absorptietoestand in multi-pass gepompte thin-disk lasers. Door het residuele pomp niet louter als een verliesterm te behandelen, maar als een beperking op het gainmedium, biedt de methode van de auteurs een manier om onderscheid te maken tussen kleine-signaal, niet-lase en laseerstand-absorptie.

De auteurs stellen dat deze aanpak praktische begeleiding biedt voor:

• Pompmoduleontwerp: Het bepalen van het benodigde aantal pomp-passes om hoge absorptie te bereiken in aanwezigheid van laseerstand-inversie.
• Outputkoppeling: Het selecteren van output-coupler transmissie die een balans vindt tussen uitgangsvermogen versus intracaviteit vermogen en warmtelast.
• ASE-beheer: Het beoordelen van de impact van ASE op inversie-uitputting en warmtelast bij hoogvermogensschaling.

Het werk benadrukt dat hoewel de berekende warmtelast waardevolle trends biedt, het geen gevalideerde temperatuurvoorspelling is zonder ruimtelijk opgeloste optische velden en thermo-mechanische randvoorwaarden. Desalniettemin overbrugt de op residu-pomp gebaseerde aanpak de kloof tussen eenvoudige kleine-signaalmodellen en de complexe realiteit van hoogvermogen quasi-drielaags lasergebruik.