Μελέτη και ανάπτυξη πρωτότυπου laser στερεάς κατάστασης αντλούμενου από led ισχύος.

Abstract

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός solid-state κρυσταλλικού laser Νεοδυμίου (Nd:YAG), με καινοτόμο πηγή οπτικής άντλησης. Συγκεκριμένα, η πηγή ενεργειακής διέγερσης του laser αποτελείται από συστοιχίες διόδων εκπομπής λευκού φωτός (LED) σε μορφή chip "βαττικής" ισχύος και υψηλής απόδοσης, όπως για παράδειγμα τα εμπορικά-διαθέσιμα LED που χρησιμοποιούνται σε διατάξεις φωτισμού, όπως λαμπτήρες, φακούς, προβολείς, ταινίες. Σε συγκριση με τις καθιερωμένες πηγές οπτικής άντλησης laser, οι πηγές φωτός LED πλεονεκτούν σε πολλά σημεία, εκτος του σημαντικά χαμηλού κόστους. Συγκεκριμένα, χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάρκεια ζωής, μεγάλη οπτική απόδοση και κατευθυντικότητα εκπομπής φωτός αλλά παράλληλα απαιτούν μονο χαμηλές ασφαλείς τάσεις τροφοδοσίας, παραμέτρους δηλ. που τις καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικές για το σκοπούμενο σύστημα στο εργαστηριακό και εκπαιδευτικό περιβάλλον. Για τον σκοπό της επιτυχούς σχεδίασης και ανάπτυξης του υπ' όψη συστήματος laser, προηγείται στην παρούσα εργασία μία θεωρητική μελέτη ενεργειακής μεταφοράς και μετατροπής, που λαμβάνει υπόψη την πυκνότητα πρόσμιξης Νεοδυμίου στον κρύσταλλο YAG, την μορφή και τις διαστάσεις του ενεργού υλικού, την χωρική διάταξη των πηγών άντλησης και την γωνιακή κατανομή των κώνων εκπομπής τους, την αλληλο-επικάλυψη των φασμάτων της εκπομπής των LED και της απορρόφησης του ενεργού υλικού Nd:YAG, των σχετικών ενεργειών ζωνών άντλησης και ζωνών εκπομπής, της κβαντικής απόδοσης του ιόντος Nd+3, καθώς και των τυπικών ενεργειακών κατωφλίων ταλάντωσης αντίστοιχων "κλασσικών" συστημάτων laser. H μελέτη αυτή αφορά την εκτίμηση της εφικτότητας της επιτυχούς υλοποίησης και λειτουργίας του σκοπούμενου συστήματος, της προδιαγραφής των απαραίτητων οπτικών στοιχείων, καθώς και της πρόβλεψης αναγκαίων μέτρων μετέπειτα βελτίωσης του σχεδιασμού και της αποδοτικότητάς του. Ιδιαιτέρως η μελέτη προσδιορίζει το καταλληλότερο είδος LED άντλησης από άποψη φασματικής εκπομπής, πυκνότητας οπτικής ισχύος, χωρικού προφίλ εκπομπής κλπ. Σχεδιάζεται επίσης η μορφή του οπτικού αντηχείου, με τις απαραίτητες μεταλλικές βάσεις και οπτο-μηχανικά στηρίγματα(κινηματικά ή σταθερά), λαμβάνοντας υπόψη και την διαθεσιμότητα οπτικών υλικών και στοιχείων, όπως για παράδειγμα καθρεπτών laser και ράβδων (κρυστάλλων) Nd:YAG στο εργαστήριο Laser του ΗΜΜΥ. Διερευνάται κατόπιν το θέμα της κατάλληλης ηλεκτρικής τροφοδοσίας των πηγών άντλησης LED, ως προς τις παραμέτρους ρεύματος, τάσης, ισχύος και χρονικής διαμόρφωσης (συνεχούς ή παλμικής). Ακολουθεί η κατασκευή των επιμερους διατάξεων και η αντίστοιχη πρακτική-πειραματική μελέτη, με μετρήσεις και λειτουργικές δοκιμές, αρχικά σε επίπεδο υπο-συστημάτων και κατόπιν σε ολοκληρωμένη οπτο-ηλεκτρονική διάταξη laser. Συμπερασματικά, με την χρήση υλικών και τεχνολογιών που κρατούν το κόστος χαμηλό (εξαιρουμένου πιθανόν του κρυστάλλου και καθρεπτών) και με πλήρη έλεγχο και γνώση των οπτικών και οπτοηλεκτρονικών υπο-συστημάτων και μεθόδων, προχωρήσαμε στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πρωτοτύπου με μεγάλη ευελιξία και προσαρμοστικότητα για εκπαιδευτική επίδειξη και εργαστηριακή ερευνα σε μεγάλη ποικιλία επιθυμητών πιλοτικών εφαρμογών.

The purpose of this work is the development of a solid-state crystal Neodymium (Nd:YAG) laser, with an innovative optical pumping source. In particular, the source of energy excitation of the laser consists of arrays of white light emitting diodes (LED) in the form of "watt" power and high efficiency chips, such as, for example, the commercially available LEDs used in lighting devices, such as lamps, flashlights, projectors, movies. Compared to conventional laser optical pumping sources, LED light sources have several advantages, apart from their significantly lower cost. In particular, they are characterized by a long lifetime, high optical performance and directivity of light emission, but at the same time they only require low safe supply voltages, i.e. parameters that make them particularly attractive for the intended system in the laboratory and educational environment. For the purpose of the successful design and development of the laser system in question, this work is preceded by a theoretical study of energy transfer and conversion, which takes into account the density of Neodymium impurity in the YAG crystal, the form and dimensions of the active material, the spatial arrangement of the pumping sources and the angular distribution of their emission cones, the overlap of the LED emission and absorption spectra of the Nd:YAG active material, the relative energies of pumping and emission bands, the quantum efficiency of the Nd+3 ion, as well as the typical energy oscillation thresholds of corresponding "classical" laser systems. This study concerns the assessment of the feasibility of the successful implementation and operation of the intended system, the specification of the necessary visual elements, as well as the prediction of necessary measures to subsequently improve the design and its efficiency. In particular, the study determines the most suitable type of pumping LED in terms of spectral emission, optical power density, spatial emission profile, etc. The form of the optical resonator is also designed, with the necessary metal bases and opto-mechanical supports (kinetic or fixed) . The topic of the appropriate electrical supply of LED pumping sources is then investigated, in terms of current, voltage, power and time modulation (continuous or pulsed) parameters. This is followed by the construction of the individual devices and the corresponding practical-experimental study, with measurements and functional tests, initially at the level of sub-systems and then in a complete opto-electronic laser device. In conclusion, with the use of materials and technologies that keep costs low (except possibly for crystal and mirrors) and with full control and knowledge of optical and optoelectronic sub-systems and methods, we proceeded to develop an integrated prototype with great flexibility and adaptability for educational demonstration and laboratory research in a wide variety of desirable pilot applications.