[論文レビュー] A study of enhancing the power of a CW Ti:sapphire laser by cryogenic cooling

Simai Jia|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Solid State Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、チタニウムドープアルミナ（Ti:sapphire）レーザー結晶の低温冷却が、熱レンズ効果を抑制することで安定的で高出力の動作を可能にすることを示している。ガウス型ポンプビームからの熱レンズ効果を解析的にモデル化し、レーザー共振器のパラメータを最適化することで、100 K未満の冷却条件下で熱レンズの焦点距離が0.5 mを超えることが示され、これにより、直交方向間のパス長不一致が0.1%未満で安定した100 W出力が実現可能である。

ABSTRACT

In this article, we explore how cryogenic cooling of the Ti:sapphire laser crystal greatly reduces thermal lensing by over an order of magnitude because of two factors: (i) the increase in the thermal conductivity of the crystal, and (ii) the decrease in the temperature dependence of the refractive index. We obtained analytical expression of the focal length of thermal lens for the pump inside the laser crystal being a Gaussian beam. Through analysis of the laser cavity stability, we found that in order for the relative difference between the optimal laser cavity path lengths in the horizontal and vertical directions to be less than 0.1%, the focal length of thermal lens should be longer than 0.5 m. Such a requirement can be met if the laser crystal is cooled to temperatures below 100 K while being pumped at a power that is enough to produce 100 W output. Therefore, it is very likely that an output power of 100 W can be achieved on a single Ti:sapphire laser by cryogenic cooling of the laser crystal.

研究の動機と目的

• 単一Ti:sapphireレーザーから100 W連続出力が低温冷却によって達成可能かどうかを調査すること。
• Ti:sapphire結晶における円形および楕円形ガウス型ポンプビームからの熱レンズ効果をモデル化すること。
• 熱レンズ効果下でのレーザー共振器の安定性条件を特定し、アスタチズム補償のためのパラメータを最適化すること。
• 熱レンズ安定性の閾値を確立し、直交方向間のパス長不一致を最小限に抑えること。
• 高出力へのスケーリングが可能であり、同時にシングルフォーケン、狭帯域動作を維持できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 結晶中心における2階温度微分を用いて、方位対称およびアスタチックな状態における熱レンズ焦点距離の解析的表現を導出。
• ABCD行列形式を用いてレーザー共振器の伝達行列と安定性条件を定式化し、熱レンズ効果を組み込む。
• アスタチズムを補償するため、ミラーの曲率半径、パス長、入射角などの共振器パラメータを最適化。
• 熱レンズ焦点距離の関数としてのレイリー範囲および最適作動領域を分析することで、レーザー共振器の安定性を評価。
• 熱負荷の変動に応じたキャビティ応答をモデル化するため、熱レンズ焦点距離の逆数（1/f_T）を用いる。
• ベンチマーク条件として、x方向およびy方向間の相対的パス長差が0.1%未満であることを定め、これにはf_T > 0.5 mが要件となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ti:sapphire結晶の低温冷却は、熱レンズ効果を十分に抑制し、100 W安定出力が可能になるか？
• RQ2 直交方向間のパス長不一致を0.1%未満に抑えるために必要な熱レンズ焦点距離はどの程度か？
• RQ3 ポンプビーム形状（円形対比楕円形ガウス型）および熱レンズ効果が、キャビティ安定性およびアスタチズムに与える影響は？
• RQ4 ミラー曲率半径R、入射角φ、結晶長lなどのキャビティパラメータは、熱負荷下での安定性およびアスタチズム補償を最適化するためにどのように選択されるか？
• RQ5 ポンプ出力が500 Wまでに達する場合、どの低温冷却温度で熱レンズ焦点距離が0.5 mを超えるか？

主な発見

• 100 K未満の低温冷却により、熱レンズ焦点距離が0.5 mを超えることが保証され、x方向およびy方向間の相対的パス長差が0.1%未満に保たれる。
• ポンプ出力が500 Wまでに達する範囲で、Ti:sapphire結晶を100 K以下に冷却すれば、熱レンズ焦点距離が0.5 mを超える。
• 熱レンズ焦点距離（f_T）が低下するにつれて、レーザーキャビティの最適作動領域はシフト・変形するが、ミラー曲率半径を大きく（例：20 cm 対 10 cm）することで、x方向およびy方向間の相対的差が小さくなる。
• ミラー曲率半径R、入射角φ、結晶長lなどのパラメータを適切に選択することで、アスタチズム補償が達成可能である。
• 低温条件下では熱レンズ効果が抑制されるため、レーザーキャビティの安定性が著しく向上し、安定作動領域に留まる。
• 本研究では、熱レンズ焦点距離が0.5 mを超える限り、単一Ti:sapphireレーザーから100 W出力が可能であると確認した。