Q-스위치 레이저에서 훨씬 더 높은 펄스 에너지를 얻으려면 어떻게 해야 합니까? Mopa 시스템으로 전력 확장

표준 Q-스위치 발진기가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 펄스 에너지를 달성하려면 시스템 아키텍처를 근본적으로 변경하여 증폭을 포함해야 합니다. 주요 방법은 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA) 시스템을 활용하는 것으로, 여기서 시드 레이저가 펄스를 생성하고 후속 증폭기 단에서 에너지를 증폭합니다.

단일 발진기의 한계는 종종 열 효과와 손상 임계값에 의해 정의됩니다. 이를 능가하려면 MOPA 아키텍처를 사용하여 펄스 생성과 전력 확장을 분리해야 합니다.

단일 발진기 너머의 확장

MOPA 솔루션

표준 Q-스위치 레이저는 펄스 생성 및 에너지 추출 모두에 대해 단일 장치로 작동합니다. 에너지를 크게 확장하려면 MOPA(마스터 발진기 전력 증폭기)를 구현해야 합니다.

이 설정에서 "마스터 발진기"는 고품질의 저에너지 시드 펄스를 생성합니다. 그런 다음 이 펄스는 하나 이상의 전력 증폭기를 통과하여 발진기가 정의한 빔 특성을 희생하지 않고 에너지를 극적으로 증가시킵니다.

평균 전력을 위한 광섬유 MOPA(MOFA)

응용 프로그램에 높은 평균 전력과 결합된 높은 펄스 에너지가 필요한 경우 이 아키텍처의 특정 하위 집합이 이상적입니다.

이것들은 광섬유 MOPA 또는 MOFA(마스터 발진기 광섬유 증폭기)로 알려져 있습니다. 이들은 광섬유 기반 이득 매체를 사용하여 열 부하를 더 잘 관리하면서 중간에서 높은 펄스 에너지를 전달합니다.

에너지 저장 물리학 최적화

올바른 이득 매체 선택

높은 펄스 에너지는 근본적으로 에너지 저장 용량의 함수입니다. 펄스가 방출되기 전에 펌프 에너지를 효과적으로 저장하려면 긴 상위 상태 수명을 가진 이득 매체가 필요합니다.

이터븀 도핑 매체(예: Yb:YAG)는 이 특정 목적을 위해 네오디뮴 도핑 대안(예: Nd:YAG)보다 종종 우수합니다. Yb 도핑 재료의 물리학은 펌핑 단계 동안 더 많은 에너지 저장 축적을 가능하게 합니다.

능동 Q-스위칭의 중요한 역할

에너지 추출을 극대화하려면 펄스가 언제 방출되는지 정확하게 제어해야 합니다. 능동 Q-스위칭은 고에너지 응용 분야에 탁월한 방법입니다.

능동 스위치를 사용하면 이득 매체가 완전한 집단 반전에 도달할 때까지 셔터를 닫아 둘 수 있습니다. 스위치 열림을 매체의 준안정 상태의 붕괴 수명과 일치하도록 타이밍을 맞추면 가능한 최대 에너지를 추출할 수 있습니다.

절충점 이해

수동 Q-스위치의 한계

더 간단하고 저렴하지만 수동 Q-스위치는 일반적으로 에너지를 극대화하는 데 덜 효과적입니다.

수동 스위치는 흡수체가 포화되는 즉시 자동으로 열립니다(열림). 이는 종종 이득 매체가 최대 집단 반전에 도달하기 전에 발생하여 펄스 방출을 조기에 강제하고 잠재적 에너지 출력을 제한합니다.

이득-지속 시간 절충

고에너지 저장을 위한 이득 매체를 선택할 때 펄스 길이를 희생하는 경우가 많습니다.

에너지 저장에 탁월한 Yb:YAG와 같은 재료는 일반적으로 Nd:YAG보다 이득 단면적이 낮습니다. 절충점은 펄스당 더 많은 에너지를 얻지만 결과 펄스 지속 시간은 일반적으로 더 길다는 것입니다.

목표에 맞는 올바른 선택

에너지, 전력 및 펄스 폭에 대한 특정 요구 사항에 따라 다른 아키텍처 요소를 우선시해야 합니다.

주요 초점이 최대 펄스 에너지인 경우: MOPA 아키텍처와 능동 Q-스위치를 구현하여 에너지 방출 전에 완전한 집단 반전을 보장합니다.
주요 초점이 중간 에너지와 높은 평균 전력인 경우: 광섬유 MOPA(MOFA)를 활용하여 에너지 확장과 열 관리를 균형 있게 유지합니다.
주요 초점이 에너지 저장 용량 극대화인 경우: 이터븀 도핑 이득 매체(Yb:YAG)를 우선시하고 이것이 약간 더 긴 펄스 지속 시간을 초래할 수 있음을 받아들입니다.

궁극적인 펄스 에너지는 단순히 더 강하게 펌핑하는 것이 아니라 펄스 생성과 증폭을 분리함으로써 달성됩니다.

요약표:

최적화 요소	권장 전략	펄스 에너지에 대한 이점
시스템 아키텍처	MOPA(마스터 발진기 전력 증폭기)	손상 임계값을 우회하기 위해 펄스 생성과 에너지 확장을 분리합니다.
스위칭 방법	능동 Q-스위칭	더 높은 추출을 위해 펄스 방출 전에 최대 집단 반전을 허용합니다.
이득 매체	이터븀 도핑(예: Yb:YAG)	더 긴 상위 상태 수명을 제공하여 우수한 에너지 저장 용량을 제공합니다.
전력 관리	광섬유 MOPA(MOFA)	높은 평균 전력과 효율적인 열 관리를 가능하게 합니다.

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