Qスイッチレーザーで大幅に高いパルスエネルギーを得るにはどうすればよいですか？Mopaシステムで出力をスケールアップする

標準的なQスイッチオシレーターが提供できるよりも大幅に高いパルスエネルギーを達成するには、システムアーキテクチャを根本的に変更して増幅を含める必要があります。主な方法は、マスターオシレーターパワーアンプ（MOPA）システムを利用することです。このシステムでは、シードレーザーがパルスを生成し、後続のアンプステージが出力をブーストします。

単一オシレーターの限界は、熱効果と損傷しきい値によって定義されることがよくあります。これを克服するには、MOPAアーキテクチャを使用して、パルス生成と電力スケーリングを分離する必要があります。

単一オシレーターを超えるスケーリング

MOPAソリューション

標準的なQスイッチレーザーは、パルス生成とエネルギー抽出の両方で単一のユニットとして機能します。エネルギーを大幅にスケールアップするには、MOPA（マスターオシレーターパワーアンプ）を実装する必要があります。

このセットアップでは、「マスターオシレーター」が高品質で低エネルギーのシードパルスを生成します。次に、このパルスは1つ以上のパワーアンプを通過し、オシレーターによって定義されたビーム特性を犠牲にすることなく、そのエネルギーを劇的に増加させます。

平均電力のためのファイバーMOPA（MOFA）

アプリケーションで高い平均電力と高いパルスエネルギーの組み合わせが必要な場合は、このアーキテクチャの特定のサブセットが理想的です。

これらはファイバーMOPAまたはMOFA（マスターオシレーターファイバーアンプ）として知られています。これらは、ファイバーベースのゲイン媒体を利用して熱負荷をより良く管理しながら、中程度から高いパルスエネルギーを提供します。

エネルギー貯蔵の物理学の最適化

適切なゲイン媒体の選択

高いパルスエネルギーは、基本的にエネルギー貯蔵容量の関数です。パルスが放出される前にポンプエネルギーを効果的に貯蔵するには、長い上位準位寿命を持つゲイン媒体が必要です。

イッテルビウム添加媒体（Yb:YAGなど）は、この特定の目的において、ネオジム添加代替品（Nd:YAGなど）よりも優れていることがよくあります。Yb添加材料の物理学により、ポンピングフェーズ中に蓄積されるエネルギーが大きくなります。

アクティブQスイッチングの重要な役割

エネルギー抽出を最大化するには、パルスがいつ放出されるかを正確に制御する必要があります。アクティブQスイッチングは、高エネルギーアプリケーションにとって優れた方法です。

アクティブスイッチを使用すると、ゲイン媒体が完全な人口反転に達するまでシャッターを閉じたままにできます。スイッチの開放タイミングを媒体の準安定状態の減衰寿命に合わせることで、可能な限り最大のエネルギーを抽出できます。

トレードオフの理解

パッシブQスイッチの制限

よりシンプルで安価ですが、パッシブQスイッチは一般的にエネルギーを最大化する上で効果が低いです。

パッシブスイッチは、吸収体が飽和するとすぐに自動的にブリーチ（開く）します。これは多くの場合、ゲイン媒体が最大人口反転に達する前に発生し、パルスの放出を早期に強制し、潜在的なエネルギー出力を制限します。

ゲイン持続時間の妥協

高エネルギー貯蔵のためのゲイン媒体を選択する場合、パルス短縮を犠牲にすることがよくあります。

エネルギー貯蔵に優れているYb:YAGのような材料は、通常、Nd:YAGよりもゲイン断面積が低いです。トレードオフは、パルスあたりのエネルギーは大きくなりますが、結果として生じるパルス持続時間は通常長くなります。

目標に合わせた適切な選択

エネルギー、電力、パルス幅に関する特定の要件に応じて、異なるアーキテクチャ要素を優先する必要があります。

主な焦点が最大のパルスエネルギーである場合：アクティブQスイッチを備えたMOPAアーキテクチャを実装して、エネルギー放出前に完全な人口反転を保証します。
主な焦点が高い平均電力と中程度のエネルギーである場合：ファイバーMOPA（MOFA）を利用して、エネルギーのスケーリングと熱管理のバランスを取ります。
主な焦点がエネルギー貯蔵容量の最大化である場合：イッテルビウム添加ゲイン媒体（Yb:YAG）を優先し、これによりパルス持続時間がわずかに長くなる可能性があることを受け入れます。

究極のパルスエネルギーは、単に出力を強くするだけでなく、パルスの生成とその増幅を分離することによって達成されます。

概要表：

最適化要因	推奨戦略	パルスエネルギーへのメリット
システムアーキテクチャ	MOPA（マスターオシレーターパワーアンプ）	パルス生成とエネルギーのスケーリングを分離し、損傷しきい値を回避します。
スイッチング方法	アクティブQスイッチング	パルス放出前に最大の人口反転を可能にし、抽出を向上させます。
ゲイン媒体	イッテルビウム添加（例：Yb:YAG）	上位準位寿命が長く、優れたエネルギー貯蔵容量を提供します。
電力管理	ファイバーMOPA（MOFA）	高い平均電力と効率的な熱管理を可能にします。

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