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

Resumo Técnico: Diagnóstico de Absorção do Estado de Lasing via Bombeamento Residual em Lasers de Disco Fino Yb:YAG com Bombeamento Multi-passagem

Definição do Problema
Lasers de disco fino (TD) de alta potência dependem de uma remoção de calor eficiente, mas seu projeto exige estimativas precisas do poder de bombeamento absorvido e da carga térmica local sob condições reais de lasing. Em sistemas Yb:YAG com bombeamento de múltiplas passagens, a absorção de bombeamento não é um parâmetro de material fixo; ela é dinamicamente acoplada à inversão de população, emissão estimulada, emissão espontânea amplificada (ASE) e efeitos térmicos. As abordagens de projeto tradicionais frequentemente dependem de coeficientes de absorção de sinal pequeno em temperatura ambiente, os quais falham em considerar os fenômenos de absorção líquida e de reabsorção dependentes da inversão presentes em sistemas quase-três níveis. Consequentemente, há uma necessidade de um método de diagnóstico que possa caracterizar a absorção do "estado de lasing" e a carga térmica associada para melhorar o escalonamento de potência e o design do ressonador.

Metodologia
Os autores propõem o uso do poder de bombeamento residual após uma sequência de múltiplas passagens como um observável de diagnóstico espacialmente integrado para o estado de absorção. O estudo emprega um modelo de equações de taxa de quase-três níveis acoplado ao fluxo de bombeamento acumulado, fluxo de sinal intracavidade e um termo de depleção induzida por ASE efetivo.

O arcabouço teórico opera através de quatro etapas acopladas:

1. Cálculo da Inversão de População: Resolução das equações de taxa para as populações dos níveis superior e inferior do laser ($N_2$ e N__1) em um domínio de tempo discretizado sincronizado com a sequência de bombeamento de múltiplas passagens.
2. Absorção Dependente da Inversão: Avaliação do coeficiente de absorção da banda de bombeamento efetiva ($\alpha_{eff}$), que varia com a razão de inversão instantânea ($\beta$) e inclui a depleção induzida por ASE.
3. Modelagem de Sinal Intracavidade: Cálculo do fluxo de fótons do sinal, distinguindo entre condições de não-lasing (NL) (onde apenas a ASE contribui) e condições de lasing multimodo (MM) (onde a emissão estimulada e o clamping de ganho são incluídos).
4. Estimativa de Carga Térmica: Derivação da carga térmica volumétrica ($\dot{Q}$) baseada em transições de energia líquida, contabilizando a absorção de bombeamento, a extração de sinal e a troca de energia por ASE.

O modelo foi implementado numericamente em MATLAB e validado contra dados experimentais de dois discos finos de Yb:YAG (TD1: 189 µm, 8,0 at.% de dopagem; TD2: 215 µm, 7,0 at.% de dopagem) em um módulo de bombeamento de 32 passagens. O setup experimental mediu tanto o poder de bombeamento residual quanto o poder de saída do sinal sob condições NL e MM.

Principais Resultados

• Precisão do Diagnóstico: O modelo reproduziu com sucesso as frações de bombeamento residual medidas com um erro relativo máximo de 2,4% em condições de não-lasing e 1,8% em condições de lasing multimodo. O poder de saída previsto apresentou um erro relativo de 1,3% em toda a faixa de operação de alta potência.
• Dinâmica de Absorção: A análise confirmou que a emissão estimulada no estado de lasing reduz a inversão de população em regime permanente, aumentando a absorção efetiva da banda de bombeamento em relação ao caso de não-lasing. No entanto, a absorção efetiva permaneceu abaixo do valor de sinal pequeno em temperatura ambiente devido à reabsorção e efeitos térmicos.
• Implicações da Carga Térmica: A carga térmica volumétrica calculada, que inclui a absorção dependente da população e efeitos de ASE, mostrou-se até 40% superior às estimativas baseadas apenas no defeito quântico. O estudo estabeleceu uma faixa para estimativas de carga térmica comparando cenários com e sem escape de ASE, destacando que a carga térmica real depende da fração de ASE que é reabsorvida versus a que escapa do volume de ganho.
• Tendências de Design: O estudo demonstrou que designs de passagens de bombeamento baseados apenas na absorção de sinal pequeno podem ser insuficientes para operação de alta potência, sugerindo uma margem de reserva de absorção de aproximadamente 10–20%. Além disso, a análise da transmissão do acoplador de saída e do número de passagens de bombeamento revelou trocas (trade-offs) entre potência de saída, potência intracavidade e carga térmica, indicando que otimizar apenas para a potência de saída pode levar a um excesso de potência intracavidade e problemas térmicos.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o poder de bombeamento residual serve como um diagnóstico prático e experimentalmente acessível para o estado de absorção em lasers de disco fino com bombeamento de múltiplas passagens. Ao tratar o bombeamento residual não meramente como um termo de perda, mas como uma restrição ao meio de ganho, os autores fornecem um método para distinguir entre absorção de sinal pequeno, de não-lasing e de estado de lasing.

Os autores afirmam que esta abordagem oferece orientação prática para:

• Design do módulo de bombeamento: Determinar o número necessário de passagens de bombeamento para atingir alta absorção na presença de inversão de estado de lasing.
• Acoplamento de saída: Selecionar a transmissão do acoplador de saída que equilibre a potência de saída com a potência intracavidade e a carga térmica.
• Gestão de ASE: Avaliar o impacto da ASE na depleção de inversão e na carga térmica durante o escalonamento de alta potência.

O trabalho enfatiza que, embora a carga térmica calculada forneça tendências valiosas, ela não é uma previsão de temperatura validada sem campos ópticos espacialmente resolvidos e condições de contorno termo-mecânicas. No entanto, a abordagem baseada no bombeamento residual preenche a lacuna entre modelos simples de sinal pequeno e a realidade complexa da operação de laser de quase-três níveis de alta potência.