Выбор длины волны накачки: что на самом деле говорят квантовый дефект и время жизни флуоресценции

Большинство решений о длине волны накачки принимаются задом наперёд. Кто-то выбирает 808 нм, потому что в последних трёх сборках использовали 808 нм, кристалл его поглощает, а диоды дёшевы. Затем тепловая линза проявляется на 60% расчётной мощности, качество пучка разваливается, и исправлением становится больший радиатор, а не другая накачка.

Цена такого сокращения реальна. Каждый ватт, вложенный на неправильной длине волны, превращается в тепло внутри активной среды, а тепло внутри активной среды — это то, что ограничивает вашу выходную мощность, ваш M² и вашу стабильность направления. Вы не можете выйти из выбора длины волны за счёт охлаждения.

Два числа решают большую часть этого до того, как вы что-либо закажете: квантовый дефект и время флуоресценции активной среды. Оба вытекают напрямую из физики флуоресценции, и оба напечатаны в данных, которые у вас уже есть.

Выбор длины волны накачки сводится к двум величинам. Квантовый дефект (1 − λ_накачки/λ_лазера) определяет, сколько мощности накачки становится теплом внутри кристалла. Время флуоресценции верхнего лазерного уровня определяет, сколько энергии среда может накопить между импульсами. Выбирайте самую длинную длину волны накачки, которую среда всё ещё будет эффективно поглощать, затем проверьте, что диод удерживает эту длину волны во всём вашем тепловом диапазоне.

[ ИЗОБРАЖЕНИЕ 1 — замените этот абзац блоком изображения ]
Кадр: Главное изображение — ряд волоконно-связанных диодных лазерных модулей LUMEXIS (808, 888, 976 нм), разложенных на нейтральном столе с их свёрнутыми в бухты волокнами доставки, плюс небольшой кристалл Nd:YVO4 на держателе на переднем плане.
Файл: lumexis-pump-wavelength-selection-1.webp
Alt: Волоконно-связанные диодные лазерные модули накачки на 808, 888 и 976 нм рядом с кристаллом Nd:YVO4

Квантовый дефект — это тепло, которое вы спроектировали

Когда фотон накачки поглощается, ион поднимается в возбуждённое состояние. Он не остаётся там. Он релаксирует вниз на верхний лазерный уровень, сбрасывая разницу энергий в кристаллическую решётку в виде фононов, и только затем испускает лазерный фотон. Этот шаг релаксации невидим на таблице данных и неизбежен в физике.

Арифметика проста. Накачка на 808 нм для выхода 1064 нм даёт дробную потерю 1 − 808/1064, или около 24%. Накачка того же перехода на 888 нм снижает её до 16,5%. Ничто другое в системе не изменилось. Вы просто убрали около трети тепловой нагрузки.

Эта последняя строка — причина, по которой иттербий стал рабочей лошадкой мощных волоконных лазеров. Тепловая доля в 5% — это другая инженерная задача, чем 24%.

Загвоздка в том, что меньший квантовый дефект почти всегда означает более слабое поглощение. Пик поглощения неодима на 888 нм составляет небольшую долю высоты пика на 808 нм. Вы получаете тепловое преимущество, принимая, что свет накачки проходит дальше, прежде чем поглотиться, что означает более длинный кристалл, более высокое легирование или и то, и другое. На практике стержни с внутриполосной накачкой обычно работают около 30 мм, тогда как конструкция на 808 нм ограничивалась бы примерно 8 мм. Это реальное изменение компоновки вашего резонатора, а не замена «вставил и работает».

Время флуоресценции определяет, какой формат импульсов вы можете построить

Второе число — время жизни верхнего состояния, иногда называемое временем флуоресценции. Это то, как долго возбуждённый ион в среднем ждёт, прежде чем спонтанно отдаст свой фотон. Оно говорит вам, как долго среда будет удерживать энергию для вас.

Для непрерывно накачиваемых лазеров с модуляцией добротности это вся игра. Долгое время жизни позволяет накапливать населённость между импульсами и сбрасывать её одним выстрелом. Короткое время жизни означает, что энергия утекает в виде флуоресценции до того, как откроется ваш модулятор добротности.

Nd:YVO₄ наглядно иллюстрирует компромисс. Его сечение эмиссии примерно в пять раз больше, чем у Nd:YAG, что дает высокое усиление и низкий порог, но его время жизни менее половины. Отлично подходит для маркировочного лазера на 100 кГц. Плохо для высокоэнергетического импульса на 10 Гц.

Время жизни также ограничивает способ накачки. При QCW-накачке импульс накачки, значительно превышающий время флуоресценции, — это потраченная энергия: передняя часть импульса накачки уже флуоресцировала до того, как задняя часть прибыла. Согласуйте длительность импульса накачки со временем хранения или осознанно примите потери.

Неодим: три внутриполосных варианта, которые не взаимозаменяемы

Как только вы решите отойти от 808 нм, вы столкнетесь с выбором между 878,6, 885 и 888 нм. Поставщики перечисляют их рядом, как будто это варианты. Они решают разные задачи.

878,6 нм накачивает Nd:YVO₄ непосредственно на верхний лазерный уровень. Из трех он требует самого жесткого контроля длины волны, поскольку целевая полоса поглощения узкая. Наша серия с волоконным выводом на 878,6 нм задана в диапазоне 878,1–879,1 нм с температурным дрейфом 0,015 нм/°C, что является самым жестким показателем в нашем каталоге накачек. Это число существует, потому что приложение не допускает более свободного допуска.

885 нм является аналогом для Nd:YAG, нацеленным непосредственно на переход ⁴I₉/₂ в ⁴F₃/₂. Та же логика, другая матрица.

888 нм делает то, что не делают два других. На 888 нм Nd:YVO₄ поглощает почти одинаково для света, поляризованного вдоль осей a и c. Поляризационно-независимое поглощение означает, что вы можете накачивать неполяризованный свет, доставляемый по волокну, в кристалл, не беспокоясь об ориентации или деполяризации в доставляющем волокне, и распределение поглощенной мощности остается предсказуемым. Для мощных конструкций TEM₀₀ это ценнее, чем дополнительные 0,9% сэкономленного квантового дефекта.

Закономерность здесь: внутризонные длины волн покупают тепловой запас ценой дисциплины по длине волны. Если ваша конструкция не может удерживать длину волны диода, внутризонная накачка будет работать хуже, чем простая 808 нм.

Иттербий: 915 нм и 976 нм — это две разные философии проектирования

Для волокна, легированного Yb, выбор не тонкий, и причина не связана только с квантовым дефектом.

Пик поглощения иттербия на 976 нм высокий и узкий, всего несколько нанометров шириной. Его плечо на 915 нм низкое и широкое, комфортно десятки нанометров. Это единственное различие определяет всё дальнейшее.

Выполните расчет, который большинство руководств по выбору пропускают. Нестабилизированный диод Фабри-Перо дрейфует примерно на 0,35 нм/°C. При колебании температуры охлаждающей жидкости на 20 °C это 7 нм блуждания. Пик на 976 нм шириной в несколько нанометров просто не переживет это: диод уходит с полосы поглощения, и ваша мощность накачки проходит прямо через волокно к стрипперу оболочки. Те же 7 нм дрейфа на плече 915 нм изменяют поглощение на несколько процентов, и ничего плохого не происходит.

Таким образом, стабилизированная накачка на 976 нм — это не премиальная функция. Это требование. Наша серия A на 976 нм зафиксирована на 975,5–976,5 нм с спектральной шириной 0,8 нм и дрейфом 0,02 нм/°C, в отличие от широкой серии C на 973–979 нм с шириной 5–6 нм и дрейфом 0,3–0,4 нм/°C для приложений, которым не нужен пик.

Выбирайте так:

• 976 нм стабилизированный когда эффективность и короткая длина поглощения важнее тепловой простоты: киловаттные осцилляторы, короткие активные волокна, системы с жестким контролем охлаждения.
• 915 нм когда нужна толерантность: прощающие тепловые среды, длинные длины поглощения, распределяющие тепловую нагрузку вдоль волокна, работа без TEC и более низкая стоимость за ватт.

Вариант на 915 нм заслуживает большего признания, чем обычно получает. Распределение поглощения накачки по более длинному волокну снижает пиковую тепловую нагрузку на единицу длины, что именно то, что нужно, когда поперечная модовая нестабильность является вашим пределом, а не сырая эффективность.

Тулий на 793 нм: где число квантового дефекта вам лжёт

Если воспринимать формулу буквально, накачка тулиевого лазера на 1940 нм на 793 нм выглядит ужасно. Квантовый дефект составляет почти 59%. На бумаге кристалл должен перегреваться.

Этого не происходит из-за кросс-релаксации. Один поглощенный фотон на 793 нм может произвести два возбужденных иона в верхней лазерной полосе, приближая квантовую эффективность к 200% и сокращая эффективную тепловую долю до примерно 18%. Это случай, когда структура энергетических уровней побеждает арифметику длин волн, и именно поэтому 793 нм остается стандартной накачкой для Tm-легированного волокна, несмотря на сырые цифры.

Следите за спецификацией обратного отражения здесь. Тулиевые системы отправляют свет 2 мкм обратно по доставляющему волокну, и модуль накачки без изоляции в диапазоне 1850–2100 нм деградирует. Наши модули на 792 и 793 нм несут эту изоляцию именно по этой причине. Это такая позиция, которая никогда не появляется в таблице сравнения длин волн, но аннулирует гарантии.

Эрбиевое стекло на 1535 нм: намеренная оплата большого дефекта

Накачивайте эрбиевый стеклянный источник на 976 нм для излучения на 1535 нм, и вы принимаете квантовый дефект 36%. Никакая внутриполосная альтернатива не исправляет это в таком масштабе.

Вы идёте на это, потому что 1535 нм находится в безопасном для глаз диапазоне согласно IEC 60825, где максимально допустимая экспозиция на порядки выше, чем на 1064 нм. Для ручного или установленного на БПЛА дальномера эта классификация является требованием к продукту. Эффективность можно обсуждать; безопасность глаз — нет.

Именно время жизни флуоресценции делает этот компромисс жизнеспособным. Эрбий в стекле удерживает энергию миллисекунды, а не микросекунды, поэтому небольшой накачивающий диод с низкой средней мощностью может медленно заполнять среду, а модулятор добротности может высвободить её в виде импульса миллиджоульного класса. Именно это накопительное поведение позволяет дальномеру на 5 км помещаться в руке.

Скептическое чтение таблицы данных диода накачки

Четыре строки решают, будет ли накачивающий модуль работать в вашей системе так, как он работал на стенде поставщика.

Спецификация дрейфа, а не центральная длина волны. Центральная длина волны измеряется при одной температуре корпуса. Умножьте коэффициент дрейфа на ваш реальный рабочий диапазон и посмотрите, где окажется длина волны на обоих концах. Если результат выходит за пределы особенности поглощения, центральная длина волны никогда не была значимым числом.

Диапазон мощности, в котором удержание сохраняется. Модули со стабилизацией длины волны обычно гарантируют удержание в диапазоне примерно от 30% до 100% номинальной мощности. Ниже этого порога решётка может перестать доминировать, и диод возвращается к режиму свободной генерации. Если ваша система снижает мощность накачки во время прогрева или ожидания, проверьте, что происходит там.

Полоса изоляции обратного отражения. Спросите, какие длины волн изолированы, а не существует ли изоляция вообще. Накачка 808 нм для Nd требует защиты в диапазоне около 1030–1200 нм. Накачка тулием требует 1850–2100 нм. Это не одна и та же деталь.

Диаметр сердцевины и NA относительно вашей фактической связи. Сердцевина 200 мкм при NA 0,22 и сердцевина 105 мкм при той же мощности — это разные пучки, входящие в ваш кристалл. Меньшая сердцевина концентрирует интенсивность накачки, что повышает усиление, а также увеличивает локальный тепловой градиент. Согласуйте её с модой, которую вы пытаетесь накачивать, а не с тем, что есть на складе.

Как мы подходим к этому

Мы создаём источники накачки для тех, кто проектирует лазер, а не покупает готовый, поэтому разговор обычно начинается с активной среды, а не с артикула. Какая матрица, какое легирование, какой формат импульсов, какой диапазон температуры охлаждающей жидкости. Длина волны вытекает из этих ответов.

Характеристики, которые обеспечивают работу внутриполосной накачки, — это результаты производства, а не маркетинговые заявления. Показатель дрейфа 0,015 нм/°C зависит от того, как приклеена решётка и как герметизирован корпус. Наш производственный процесс включает входной контроль, тестирование чипов, монтаж кристаллов, подключение и юстировку волокна, герметичную шовную сварку, затем отбраковочный скрининг и полное термоциклирование перед финальным тестом. Отказы на раннем этапе жизненного цикла отсеиваются на системах старения COS, а не обнаруживаются в ваших полевых устройствах. Вот что стоит за спецификацией зафиксированной длины волны.

Если вы всё ещё решаете, наша страница решений для лазерной накачки сопоставляет семейства длин волн с активными средами и типичными классами систем.

Рабочий порядок действий

1. Сначала определите активную среду и выходную длину волны. Всё остальное следует за этим.
2. Вычислите квантовый дефект для каждой рассматриваемой длины волны накачки. Отметьте разницу тепловой доли в ваттах, а не в процентах, при вашей проектной мощности.
3. Проверьте время жизни флуоресценции относительно вашего формата импульсов. Убедитесь, что длительность импульса накачки и частота повторения имеют смысл относительно времени накопления.
4. Найдите полосу поглощения целевой особенности. Сравните её с дрейфом диода в вашем реальном температурном диапазоне.
5. Решите, можете ли вы допустить более длину поглощения, которую требует внутриполосная накачка. Если вы не можете удлинить кристалл или повысить легирование, оставайтесь на 808 нм и управляйте теплом.
6. Укажите полосу изоляции, диапазон удержания, сердцевину и NA перед запросом коммерческого предложения.

Часто задаваемые вопросы

Что такое квантовый дефект в лазере?

Квантовый дефект — это доля энергии фотона накачки, теряемая в виде тепла, а не преобразуемая в лазерное излучение, рассчитываемая как 1 − λ_накачки/λ_лазера. Накачка Nd:YAG на 808 нм для выхода на 1064 нм даёт 24%. Накачка того же выхода на 888 нм даёт 16,5%. Разница проявляется непосредственно как снижение тепловой нагрузки в кристалле.

Почему использовать 888 нм вместо 808 нм для Nd:YVO₄?

Три причины: примерно на треть меньше тепла выделяется в кристалле, поглощение почти не зависит от поляризации, поэтому неполяризованный свет накачки, доставляемый по волокну, работает предсказуемо, и более слабое поглощение, позволяющее использовать более длинные кристаллы с более мягкими тепловыми градиентами. Цена — более строгие требования к длине волны и более длинный активный элемент.

Для накачки иттербиевого волокна лучше 915 нм или 976 нм?

Ни один не является универсально лучшим. 976 нм даёт более высокую эффективность и более короткую длину поглощения, но требует диода со стабилизацией длины волны, потому что пик поглощения Yb там шириной всего несколько нанометров. 915 нм поглощается слабее в гораздо более широкой полосе, допускает тепловой дрейф и распределяет тепло вдоль более длинного волокна.

Что говорит вам время флуоресценции о активной среде?

Это говорит вам, как долго среда накапливает энергию до того, как спонтанное излучение высвободит её. Длинные времена жизни, такие как эрбиевое стекло в миллисекундном диапазоне, поддерживают высокую энергию импульса при умеренной мощности накачки. Короткие времена жизни, такие как Nd:YVO₄ при 90–100 мкс, благоприятствуют высокой частоте повторения, а не высокой энергии на импульс.

Нужна ли мне стабилизированная по длине волны накачивающая диодная лазерная система?

Вам нужен один всякий раз, когда целевая полоса поглощения уже, чем дрейф длины волны в вашем рабочем диапазоне температур. Сначала умножьте коэффициент дрейфа на ваш температурный интервал. Накачка Nd в полосе и накачка Yb на 976 нм почти всегда требуют стабилизации; 808 нм и 915 нм часто не требуют.

Означает ли более низкий квантовый дефект всегда более высокую эффективность?

Нет. Более низкий квантовый дефект снижает тепловую долю, но если более слабое поглощение на этой длине волны оставляет свет накачки непоглощенным, общая эффективность может упасть. Тулий на 793 нм демонстрирует обратный случай: большой квантовый дефект компенсируется кросс-релаксацией, которая дает два возбужденных иона на один фотон накачки.

Следующий шаг

Отправьте нам вашу активную среду, целевую выходную длину волны, формат импульсов и диапазон температуры охлаждающей жидкости. Наши инженеры вернутся с вариантами длин волн, которые действительно подходят, включая те, которые мы не продаём, если это правильный ответ. Начать технический разговор.

Ссылки

1. RP Photonics Encyclopedia — Флуоресценция
2. RP Photonics Encyclopedia — Внутриполосная накачка и Upper-state Lifetime
3. McDonagh, Knappe et al., “888-нм накачка Nd:YVO₄ для мощных высокоэффективных TEM₀₀-лазеров”, Proc. SPIE 6451 (2007)
4. Laser Focus World — Enhance your Nd-doped DPSS laser with a longer-wavelength pump
5. IEC 60825-1, Безопасность лазерных изделий — классификация оборудования и требования