نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 51113-14399، تهران- ایران

2 دانشکده فیزیک، دانشگاه زنجان، صندوق پستی: 38791-45371، زنجان- ایران

10.24200/nst.2022.1446

چکیده

در این مقاله، نوعی سامانه نوری برای دمش محیط فعال لیزرهای حالت جامد به کمک دیودهای نورگسیل با هدف ارتقای نوسان‌گر مجموعه گداخت لیزری معرفی شده است. سامانه نوری مذکور براساس هدایت پرتوهای نوری از منابع دیودهای نورگسیل به میله لیزر با استفاده از سطوح تمام بازتابان استوار است. سه پیکربندی مختلف برای سامانه دمش با مقطع چهار، پنج و شش وجهی طراحی، و هندسه آن‌ها با روش ردیابی تصادفی پرتو در سه‌بعد بهینه‌سازی شدند. سامانه‌های دمش ساخته شده با موفقیت برای دمش میله لیزر از جنس به قطر 3 میلی‌متر و منابع دیودهای نورگسیل با طیف سفید 10 وات به کار گرفته شدند. با استفاده از پیکربندی پنج وجهی، 4 ژول انرژی الکتریکی به 35 دیود نورگسیل تحویل شد و نوسانگر لیزر میخه‌های لیزر با ساختار مدی اینس- گوسی و انرژی بیش از 700 میکرو ژول با نرخ تکرار 1 هرتز پدید آورد. هم‌چنین تپ‌های سوییچ Q با انرژی متوسط 35 میکرو ژول و پهنای پالس230 نانوثانیه با سامانه دمش نوری بهینه‌سازی شده تولید شدند. بهبود بیش‌تر سامانه دمش نوری بر پایه دیودهای نورگسیل می‌تواند منجر به تولید باریکه لیزر با انرژی چند میلی ژول شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental study of the improved optical system for the LED-pumped solid-state lasers

نویسندگان [English]

  • S.M. Zahedi 1 2
  • A.H. Farahbod 1
  • M. Mahmoudi 2

1 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box:14399-51113, Tehran-Iran

2 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box:14399-51113, Tehran-Iran

چکیده [English]

In this article, an optical system for pumping the active medium of solid-state lasers with light-emitting diodes (LEDs) is introduced to upgrade the master oscillator of the laser fusion facility. The optical system is based on the guiding of optical rays from light-emitting diode sources to laser rods by means of total reflecting surfaces. Three different configurations with four, five, and six segments have been designed and their geometry is optimized with 3D random ray-tracing method to obtain the best performance. The pump systems have been fabricated and successfully applied to pump a 3 mm diameter laser rod with 10 watts white spectrum LEDs. Using five segments configuration and 4 Joules electrical energy delivered to 35 LEDs, the laser oscillator produced laser spikes with multi-mode Ince-Gaussian transverse beam structure and more than 700 micro-joules laser energy at a 1 Hz repetition rate. Moreover, the Q-switched pulses with an average energy of about 35 micro-joules and 230 ns pulse-width have been generated with the optimized optical pump system. More improvement to the LED-pump system is possible, which can be led to an efficient multi-mJ laser beam.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optical pumping system
  • Laser fusion
  • LED-pumped laser
  • active medium
  • Ince-Gaussian transverse mode
1.             B. Villars, E.S. Hill, C.G. Durfee, Design and development of a high-power LED-pumped Ce:Nd:YAG laser, Opt. Lett., 40(13), 3049-3052 (2015).
 
2.             M. Tarkashvand, A.H. Farahbod, S.A. Hashemizadeh, First demonstration of green and amber LED-pumped Nd:YAG laser, Laser Physics, 28, 055801 (2018).
 
3. A. Barbet, et al, Revisiting of LED pumped bulk laser: first demonstration of Nd:YVO4 LED pumped laser, Opt. let., 6731-6734 (2014).
 
4.             C.Y. Cho, et al, LED-side-pumped Nd:YAG laser with>20% optical efficiency and the demonstration of an efficient passively Q-switched LED-pumped solid-state laser, Opt. Letters., 42(12), 2394 (2017).
 
5.             C. Jung, et al, Lasing Characteristics of a LED-Pumped Nd:KGW Laser, New Physics: Sae Mulli, 68(4), 477-485 (2018).
 
6.             M. Tarkashvand, A.H. Farahbod, S.A. Hashemizade, Iranian Journal of Physics Research, Passively Q-switched LED-Pumped Ce:Nd:YAG Laser, 18(3), 478 (2018) (in Persian).
 
7. A. Barbet, et al, Light-emitting diode pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low-cost solid-state lasers, Optica, 3(5), 465 (2016).
 
8.             P. Pichon, et al, High-radiance light sources with LED-pumped luminescent concentrators applied to pump Nd:YAG passively Q-switched laser, Optics and Laser Technology, 96, 7-12 (2017).
 
9.             S.M. Zahedi, et al, Optimization of the pumping system of the LED-pumped Ce:Nd:YAG laser, The 1 th conference on optoelectronics, Applied optics and Microelectronics, Namin. Ardabil, 13-15 August, (2019) (in Persian).
 
10. S.M. Zahedi, et al, Beam guiding system for pumping of solid-state lasers with light emitting diodes, The 1 th conference on optoelectronics, Applied Optics and Microelectronics, Namin. Ardabil, 13-15 August, (2019) (in Persian).
 
11.          Cree® XLamp® XHP50.2 LEDs, Product family data sheet, CREE company (2018).
 
12.          W. Koechner, Solid-state laser engineering, 6th Edition, Springer (2006).
 
13.          M. Janecek, Reflectivity spectra for commonly used reflectors, IEEE Transactions on Nuclear Science, 59(3), 490 (2012).
 
14.          M. Tarkashvand, A.H. Farahbod, S.A. Hashemizadeh, Study of the spatiotemporal behavior of LED-pumped Ce:Nd:YAG laser, International Journal of Optics and Photonics, 14(1), 75 (2020).
 
15.          F. Hokmabadi, A.H. Farahbod, A. Nazari-Golshan, Dependence of mode profile on the pumping configuration of a LED-pumped Ce:Nd:YAG laser, Journal of Nuclear Science and Technology, 95(2), 40 (2021).
 
16. T. Zhao, Light-emitting-diode-pumped active Q-switched Nd:YLF laser, Opt. Lett., 44(8), 1956 (2019).
 
17.          C.Y. Cho, Energy scale-up and mode-quality enhancement of the LED-pumped Nd:YAG Q-switched laser achieving a millijoule green pulse, Opt. Letters, 44 (13), 3202 (2019).