CC BY
7PHYSICS AND MATHEMATICS
CR2+:CDSE ЛАЗЕР СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ~ 3,3 МКМ
Захаров Н.Г.
ННГУ им. Лобачевского, начальник лаборатории, к. ф.-м. н.
Лазаренко В.И.
ННГУ им. Лобачевского, старший научный сотрудник
Салтыков Е.В. ННГУ им. Лобачевского, научный сотрудник
Сафронов А.С.
ННГУ им. Лобачевского, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.
Лобанова А.А.
ННГУ им. Лобачевского, лаборант-исследователь, Филиал МГУ им. М.В. Ломоносова в городе Сарове, магистр
CR2+:CDSE LASER OF ~ 3,3 MKM SPECTRAL RANGE
Zakharov N.,
NNSU Lobatchevsky state university of Nizhny Novgorod,
head of the laboratory, PHD Lazarenko V.,
NNSU Lobatchevsky state university of Nizhny Novgorod,
senior researcher Saltykov E.,
NNSU Lobatchevsky state university of Nizhny Novgorod,
researcher
Safronov A.,
NNSU Lobatchevsky state university of Nizhny Novgorod,
senior researcher, PHD
Lobanova A.
NNSU Lobatchevsky state university of Nizhny Novgorod, laboratory assistant researcher, branch of Lomonosov Moscow State University in Sarov, master
DOI: 10.5281/zenodo.7513865
Аннотация
Получена генерация лазерного излучения в спектральном диапазоне ~3,3мкм на активном элементе Cr2+:CdSe с использованием ИПФ. Создан компактный лазерный источник с перестраиваемой длиной волны для использования в экологическом мониторинге и определения утечек пропаносодержащих смесей и топливных систем. Abstract
The generation of laser radiation in the spectral range of ~3.3 microns on the active element Cr2+:CdSe was obtained using IPF. A compact laser source with tunable wavelength has been created for use in environmental monitoring and detection of leaks of propane-containing mixtures and fuel systems.
Ключевые слова: средний ИК-диапазон, Cr2+:CdSe, ИПФ, экологический мониторинг. Keywords: mid-IR spectral range, Cr2+:CdSe, IPF, ecological monitoring.
Среди лазерных сред на основе соединений A2B6, легированных ионами 0"2+, кристалл CdSe позволяет получать генерацию в наиболее длинноволновом диапазоне, границы которого достигают значения ~ 3,3 мкм. Основное препятствие, затрудняющее создание эффективного Cr2+:CdSe лазера, а именно, сильная тепловая линза, возникающая в активном элементе в силу его низкой теплопроводности и высокого значения термооптического коэффициента, было преодолено нами ранее за счет перехода от классической схемы построения
лазерного источника к схеме с подвижной активной средой [1]. Цель настоящей работы - получение генерации Cr2+:CdSe лазера в спектральной области ~ 3,3 мкм, а также оценка эффективности применения такого для лазера для определения утечек про-паносодержащих смесей и топливных систем.
1. Описание экспериментального стенда
Оптическая схема Cr2+:CdSe лазера приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Оптическая схема С,г2+:Сй8е лазера с подвижной активной средой
Приведенная оптическая схема в принципе аналогична оптической схеме, использованной нами ранее [1]. К основным отличиям следует отнести использования в качестве накачки импульсного волоконного лазера и наличие в резонаторе интерференционно-поляризационного фильтра (ИПФ).
Кристалл Cr2+:CdSe длиной 4,5 мм был выращен из паровой фазы. Кристалл имел полированные и просветлённые торцы. Активная среда перемещалась перпендикулярно оси резонатора со скоростью V ~ 28 м/с.
В качестве источника накачки использовалось излучение тулиевого волоконного лазера с длиной волны генерации Хнак ~ 1,908 мкм, работающий в импульсном режиме с частотой следования импульсов ~ 76 кГц и длительностью импульсов тимп ~ 182 нс. Излучения накачки фокусировалось в кристалл Cr2+:CdSe с помощью линзы с фокусным расстоянием f ~ 250 мм. Диаметр пучка излучения накачки в активном элементе составлял 0нак ~ 0,56 мм.
Входное дихроичное зеркало обладало высоким отражением в диапазоне от 2,72 до 3,67 мкм и
коэффициентом пропускания накачки на уровне 97 %. Выходное полупрозрачное сферическое зеркало с кривизной R ~ 200 мм обладало коэффициентом отражения в области от 3,3 до 3,45 мкм ~ 86 %, а на длине волны накачки ~ 1 %. Длина резонатора составляла 45 мм.
Для управления спектром генерации внутрь резонатора под углом Брюстера помещался ИПФ из Al2O3 толщиной 2 мм.
2. Результаты экспериментальных
исследований
На рисунке 2 экспериментальная зависимости мощности излучения Cr2+:CdSe лазера от мощности накачки, падающей на переднюю грань активного элемента. Порог генерации достигался при мощности накачки ~ 13,2 Вт. Максимальная мощность генерации составила 0,93 Вт при дифференциальном КПД ~ 14,5% и максимальный оптическом КПД ~ 4,7%. Дифференциальный КПД генерации оставался практически неизменным вплоть до максимальной доступной в эксперименте мощности накачки ~ 19,5 Вт.
Рисунок 2 - зависимости мощности излучения Ст2+:Сй^е лазера от мощности накачки Длительность импульса генерации Cr2+:CdSe лазера составляла Тимп ~ 8 нс. Осциллограммы импульсов
I-Г—1-1-1-1-1—I-1—|-1-1-1-1-1-1-1-1-1-|-1-1-1-
накачки и генерации приведены на рисунке 3.
—I-1-1-I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г—1-1-I—
Рисунок 3 - Импульс лазера накачки и импульс генерации
Спектры генерации Cr2+:CdSe лазера при двух положениях ИПФ приведены на рисунке 4. На рисунке также отображена зависимость удельного коэффициента поглощения пропана от длины волны при атмосферном давлении и комнатной температуре [2].
£
Ol
3" ЬЛ
О li
Р гЧ
Ol
-е-
m о ас
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
- Коэффициент поглощения -Спектр генерации А \
- Спектр генерации Б / \
-К 1 \
/ \
/ п
/ V \
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
=1 ш
га =1
£ и
Z
<
3.25
3.27
3.29
3.37
3.39
3.31 3.33 3.35
Длина волны, мкм Рисунок 4 - Спектры генерации и коэффициент поглощения пропана
Из рисунка видно, что вращением ИПФ спектр генерации можно смещать как в область слабого (спектр А), так и в область сильного поглощения (спектр Б) пропаносодержащих смесей.
На рисунке 5 представлена рассчитанная нами зависимость отношения пропускания излучения спектрального диапазона Б (Te) и спектрального диапазона А (Ta) от концентрации пропана в атмосфере для длины трассы Ь=1ми10м.
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
£
0.75
LO
Н 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50
О 50 100 150 200 250 300 350 400
Концентрация пропана, ррт
Рисунок 5 - Расчетная зависимость отношения пропускания излучения спектральных диапазонов А и Б
от концентрации пропана в атмосфере
Из рисунка видно, что созданный нами Cr2+:CdSe лазер позволяет измерять малые концентрации пропана методом дифференциального поглощения.
3. Выводы
В ходе экспериментов мощность генерации Cr2+:CdSe лазера с подвижной активной средой достигала уровня 0,93 Вт в спектральном диапазоне ~ 3,3 мкм. Дифференциальный КПД генерации достиг значения ~ 14,5% При этом в экспериментах не наблюдалось снижения КПД вплоть до максимальной доступной мощности накачки ~ 19,5 Вт. Показано, созданный нами Cr2+:CdSe лазер позволяет измерять малые концентрации пропана в интересах дистанционного обнаружения утечет из топливных систем. Работа выполнена при поддержке национального проекта «Наука и университеты» (проект FSWR-2021-012) за счет субсидии федерального бюджета на финансовое обеспечение государственного задания на выполнение научно-исследовательских работ.
Список литературы
1. Н.Г. Захаров, Р.А. Зорин, В.И. Лазаренко, Е.В. Салтыков, А.А. Лобанова, А.В. Маругин, В.А. Гарюткин, Г.М. Мищенко, М.В. Волков, Ф.А. Стариков, «Cr2+:CdSe лазер с мощностью непрерывной генерации более 20 W». Письма в ЖТФ, 2002, том. 48, вып. 6.
2. Rothman, L. S., Gordon, I. E., Babikov, Y., Barbe, A., Chris Benner, D., Bernath, P. F., Birk, M., Bizzocchi, L., Boudon, V., Brown, L. R., Campargue, A., Chance, K., Cohen, E. A., Coudert, L. H., Devi, V. M., Drouin, B. J., Fayt, A., Flaud, J.-M., Gamache, R. R., Harrison, J. J., Hartmann, J.-M., Hill, C., Hodges, J. T., Jacquemart, D., Jolly, A., Lamouroux, J., Le Roy, R. J., Li, G., Long, D. A., Lyulin, O. M., Mackie, C. J., Massie, S. T., Mikhailenko, S., Müller, H. S. P., Nau-menko, O. V., Nikitin, A. V., Orphal, J., Perevalov, V., Perrin, A., Polovtseva, E. R., Richard, C., Smith, M. A. H., Starikova, E., Sung, K., Tashkun, S., Tennyson, J., Toon, G. C., Tyuterev, V. G., and Wagner, G. "The HITRAN2012 molecular spectroscopic database", 2013.
