Eficiência e efeitos térmicos de um laser de microchip

Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Um laser de microchip pulsado composto por um meio ativo de vidro de fosfato com dimensão de 4x4 mm2 e dopado com iões de Er3+ e Yb3+ encontra-se em desenvolvimento pelo grupo de investigação cientifica CENTRA-SIM, com vista a ser utilizado em aplicações de altimetria de missões espaciais da Agência Espacial Europeia (ESA-European Space Agency) O meio ativo é opticamente bombeamento por um laser de díodo com emissão na região dos 975 nm, correspondente ao pico de absorção dos iões de Yb3+, e emite na região dos 1550 nm, caraterística da transição laser dos iões de Er3+. Os pulsos são gerados através da técnica de Q-switching passivo com absorvedor saturável. O feixe de bombeamento, com potência da ordem das centenas de mW até ao limite de 3 W, é focado numa região circular com diâmetro inferior a 200 μm, o que se traduz em valores de densidade de potência muito elevados num pequeno volume de vidro. A consequente dissipação de potência sob a forma de calor gera um gradiente térmico que atua como uma lente negativa no meio ativo, afetando as propriedades ópticas do feixe laser produzido na cavidade ressonante. Em particular, a divergência do feixe apresenta uma relação de dependência direta ao efeito de lente térmica. O impacto dos efeitos térmicos no funcionamento do laser de microchip em modo contínuo (sem absorvedor saturável e com bombeamento contínuo no tempo) foi estudado em função da potência e da dimensão do feixe de bombeamento para meios ativos de 1 mm e 1,5 mm de espessura. Para a montagem, alinhamento, otimização e caraterização da eficiência e divergência do laser de microchip foi desenvolvido um sistema experimental de análise do feixe de bombeamento de 975 nm e do feixe produzido de 1550 nm. Diferentes configurações do bombeamento óptico foram testadas para ambos os meios ativos estudados. Os resultados de eficiência variam entre 5% e 21% após ultrapassado o limiar de transição laser. Este limiar é caraterizado por valores de potência mínima de bombeamento que variam entre 200imW e 400 mW, dependendo do comprimento do meio ativo e do diâmetro do bombeamento. A divergência induzida pelo efeito de lente térmica no feixe produzido aumenta com a densidade de potência do bombeamento, variando entre valores da ordem de 2 mrad e 14 mrad. Em média, estes resultados são superiores aos valores estimados por um fator de 5, assumindo uma única passagem na lente térmica. Hipóteses para esta diferença são apresentadas e discutidas.A pulsed microchip laser composed by a co-doped Er:Yb3+ phosphate glass with 4x4 mm2 area as active medium is being developed by CENTRA-SIM for altimetry applications in ESA (European Space Agency) space missions. The active medium is optically pumped by a 975 nm laser diode, corresponding to the Yb3+ absorption peak, and its emission occurs in the range of 1550 nm, characteristic of Er3+ laser transition. The microchip laser is passively pulsed by Q-switching technique with saturable absorber. The pumping power is set between a few hundreds of mW and ~3W in the limit and focused into a radial spot below 200 μm. Consequently, the pumping power density is too high in such a small piece of glass. The heat dissipation generates a thermal gradient that acts as a negative lens in the active medium, having a significant impact in the optical properties of the laser beam generated in the optical cavity. Particularly, the beam divergence has a direct correlation with this thermal lens effect. The impact of the thermal effects in the microchip laser in CW mode (without saturable absorber and with continuous time pumping) was studied as a function of the pumping power and the pumping beam dimension for 1 mm and 1,5 mm length active mediums. For the microchip laser’s assembly, alignment, optimization and characterization (in efficiency and beam divergence), an experimental test bench was developed. It allows to perform the analysis of the 975 nm pumping laser beam and the 1550 nm generated laser beam. Several optical pumping configurations were tested for both studied active medium. The efficiency results vary between 5% and 21% after the laser threshold. This threshold is characterized by a minimum pumping power that is in between 200 mW and 400 mW, depending on the active medium length and the pumping beam size. The laser beam divergence induced by the thermal lens effect increases with the pumping power density, ranging between values in the order of 2 mrad and 14 mrad. In average, the experimental results are greater than the respective estimations by a factor of 5, assuming a single pass through the thermal lens. Hypothetical explanations for this difference are presented and discussed