High-density pumped thin disk lasers achieved with ultra-low thermal resistance

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14618
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Kitajima Shotaro 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80850544)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 高出力レーザー / 超短パルスレーザー / 薄ディスクレーザー

Outline of Final Research Achievements

This research focused on the fabrication process of a thin-disk laser medium capable of achieving high output power, and aimed at further pumping density improvement and power scaling by achieving an extremely low thermal resistance surpassing the previous one.
By developing a bonding equipment, constructing a thermal resistance measurement system and optimising the bonding conditions, we obtained an overall thermal resistance of 0.163 Kcm2/W and a bonding layer thermal resistance of 0.009 Kcm2/W in experiments using a mock-up gain medium. In actual high-power laser oscillation experiments using the actual gain medium, a maximum average output power of 138 W, a slope efficiency of 62% and an effective thermal resistance of 0.198 K/cm2W were obtained in continuous-wave oscillation experiments. These values are of the same or higher quality than discs manufactured by overseas companies, and higher output power is expected in the future.

Free Research Field

レーザー工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

薄ディスクレーザーは理論的にはビーム径を拡大することで無限のパワースケーリングが可能である。しかし実際には熱に起因する波面歪みによってビーム径の拡大は制限されてしまう。熱歪みを抑えるためにはより低い熱抵抗での利得媒質の接合が必要である。
本研究は薄ディスクレーザーの更なる高出力化を目指し、低熱抵抗の接合法を接合装置の開発から行った。その結果接合層の熱抵抗はほぼ無視できる程度にまで減少できることを実証し、更に実際にレーザー発振実験を行いその有効性を検証した。この技術を適用することで、超短パルスレーザーの更なる高出力化を実現でき、広く社会に貢献することができると期待される。