Necesitas ayuda para entender el umbral de emisión láser

Question

Actualmente estoy estudiando sistemas láser y realizando algunos trabajos experimentales con un láser Nd:YAG que tiene un diodo láser como fuente de bombeo. Creo que entiendo el concepto de umbral de emisión láser, pero hay un resultado experimental con el que he estado luchando durante la última semana. Sería increíble si alguien pudiera ayudarme con esto.

Sobre la fuente de bombeo

El diodo láser que actúa como fuente de bombeo tiene dos formas de trabajar: emisión continua y emisión de onda cuadrada. Este modo operacional de onda cuadrada se utiliza para medir la vida útil de una transición atómica y para demostrar picos en la cavidad láser. Esta es la parte con la que tengo problemas. El diodo láser tiene dos parámetros que se pueden controlar, uno de los cuales es la cantidad de corriente que circula a través de él, que llamaré "corriente de inyección". La potencia de bombeo es proporcional a la corriente de inyección.

Usando el diodo láser en funcionamiento continuo, he podido determinar la corriente de inyección mínima que circula a través de la fuente de bombeo necesaria para que el láser Nd:YAG comience a emitir. He medido la intensidad emitida por el Nd:YAG para varios valores de la corriente de inyección y he obtenido los siguientes datos, a partir de los cuales he extrapolado el valor del umbral de corriente de inyección, que es alrededor de 600 mA. https://image.ibb.co/cL9ZEd/plot1.png

Aquí viene el problema: si utilizo el diodo láser en modo de onda cuadrada, puedo obtener actividad láser a un valor mucho menor de la corriente de inyección que en la operación continua. Puedes ver el efecto en esta imagen.

https://image.ibb.co/jmNqLJ/IMG_18062018_192411.jpg

Una de las señales es la corriente de inyección y la otra es la intensidad medida del láser Nd:YAG. Como puedes ver, después de los picos, la señal láser se relaja a un valor constante y solo cae a cero cuando se corta la señal de entrada. No entiendo por qué está sucediendo esto, ya que necesité casi duplicar la potencia de bombeo para obtener emisión en la operación continua de la fuente de bombeo.

Gracias de antemano.

Answer 1

Esto parece (como a menudo sucede con las rarezas optoelectrónicas) ser un problema de calor. Cuando ejecutas tu láser en modo continuo, estás disipando calor continuamente en tu diodo láser de bombeo. Por otro lado, en el modo de onda cuadrada, con lo que parece ser un ciclo de trabajo del 50%, hay menos disipación térmica, por lo que la temperatura media del diodo durante la operación será un poco más baja para la misma corriente pico. Como se describe bien en este documento (especialmente ver la Figura 3.4), la longitud de onda y la potencia de salida dependen críticamente de esta temperatura (por cierto, ¿has notado un cambio de color entre los dos modos de operación?).

Las temperaturas más altas provocan que varias cosas cambien en tu diodo de bombeo. La longitud de la cavidad aumenta, el índice de refracción cambia, la distribución de energía del portador se extiende, las tasas de dispersión cambian y en general tendrás más pérdidas y menos ganancias en la cavidad. La compleja interacción de las dependencias de temperatura determina en última instancia el umbral de emisión láser. Pero esencialmente, al reducir el ciclo de trabajo de tu emisión láser, puedes lograr la misma corriente de inyección (durante el estado "encendido") a una temperatura promedio del diodo más baja, lo que disminuye tu umbral de emisión láser.