CC BY
27
УДК 535.374
ДВУХЧАСТОТНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В Ш:УЬЕ-ЛАЗЕРЕ С ЛИНЗОПОДОБНЫМ АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И ПРОДОЛЬНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
В. В. Бсзотосный, М. В. Горбунков, П. В. Кострюков, М. С. Кривонос, К). М. Попов, В. Г. Тункин, Е. А. Чстттсв
В лазере с линзоподобным Ы^УЬР [100] активным элементом исследована зависимость поляризации и частоты излучения, от длины, резонатора в условиях продольной диодной накачки. Определены условия, при которых двулучепрелоАьление в Ы(1,:¥ЬР активном элементе позволяет осуществлять двухчастотную генерацию.
Ключевые слова: твердотельные лазеры, продольная диодная накачка, двухчастот-ная генерация, источники терагерцового излучения.
В настоящее время все большее внимание уделяется источникам терагерцевого (ТГд) излучения. Спектральный и временной анализ ТГд импульсов, протпедтпих через объект, позволяет получить информацию о свойствах веществ и о протекающих в них процессах [1. 2]. Терагерцевое излучение находит также применение в решении проблем обеспечения безопасности и создании новых промышленных технологии II -
Хорошо известны методы получения ТГц излучения, использующие фемтосекунд-ньте импульсы [1. 3, 4 ]. Другой перспективный метод генерации основан на использовании двухчастотньтх лазеров. Такие, в том числе и непрерывные, лазеры должны генерировать излучение с перестраиваемой разностной частотой, которое преобразуется в ТГц излучение с помощью оптоэлектронньтх эмиттеров или нелинейных кристаллов [3, 5]. Различные схемы двухчастотньтх лазеров с диодной накачкой, использующих в качестве активных элементов (АЭ) ряд ванадатов (Хс1:УУ04, Хс1:С(1У04, ХсЬСсЦ^ УХУ04), рассмотрены в [6]. Использовались кристаллы ? вырезанные вдоль оси с. Компактный источник ТГц излучения создан на основе Хс1:УЬЕ-лазера с акустооптической модуляцией добротности [7]. Генерация на длинах волн 1.047 и 1.053 мкм осуществлялась за счёт подбора потерь двух резонаторов (для двух взаимно-перпендикулярных
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53.
поляризаций). Оба резонатора имели общий АЭ. Представляют интерес альтернатив-ньте методы получения устойчивой двухчастотной генерации при использовании одного резонатора. Для этой цели может быть использован эффект возникновения двухчастотной генерации, наблюдавшийся в Хс1Л'ЪЕ-лазере при неоднородной продольной диодной накачке [8].
Продольная диодная накачка твердотельных лазеров позволяет получать лазерные пучки, близкие к гауссовой моде, при высокой эффективности генерации. Для этой цели накачка должна быть неоднородной, т.е. размеры пучка накачки должны быть меньше, чем диаметр гауссовой моды [9]. В этом случае структура лазерного пучка зависит от длины резонатора Ь и может существенно отличаться от гауссовой моды при некоторых значениях Ь определяемых соотношением:
где r/s - правильная дробь, характеризующая вырождение, g1>2 = 1 — L/R12 - параметры устойчивости резонатора, R1}2 - радиусы кривизны зеркал резонатора. Вблизи таких конфигураций обнаружено снижение порога генерации [10]. В то же время в промежут-
L
излучение близко по структуре к гауссовой моде. Такое поведение было продемонстрировано как для CW лазеров [11. 12]. так и лазера с модуляцией добротности [13].
Эксперимент. В н ас т ояще и работе предложен способ и определены условия, при которых за счет двулучепреломления в линзоподобном АЭ Xd:YLF, вырезанном вдоль оси [100]. при неоднородной продольной диодной накачке обеспечивается двух час тот-ньтй непрерывный режим генерации на длинах волн 1.047 и 1.053 мкм.
Возможность получения одновременной генерации на двух длинах волн при изменении длины резонатора Хс1:\ЪЕ-лазера с линзоподобньтм АЭ определяется ростом (падением) эффективного усиления, наблюдающегося вблизи области разнесенных критических конфигураций в условиях пространственно неоднородной продольной накачки.
Экспериментальные исследования были выполнены с резонатором, схема которого приведена на рис. 1. Резонатор лазера образован двумя плоскими зеркалами М1 и М2. Зеркало М1 нанесено на плоский торец АЭ, является глухим для длин волн генерации 1.047 мкм/1.053 мкм и просветлено на длине волны накачки 805 нм. Другая поверхность АЭ сферическая (R = 60 мм) и просветлена для длин волн генерации. Длина АЭ 6 мм. Из-за двулучепреломления в кристалле Xd:YLF АЭ представлял собой бифокальную
arccos(gig2)1^2 = nr/s
(1)
НТ@0.8 мкм
НЯ@1 мкм НТ@1 мкм
Рис. 1: Схема двухчастотного ^(кУЬР-лазера с линзоподобным активным элементом НТ@08 мкм, НТ@1 мкм - покрытие с высоким пропусканием для Л = 0.8 и 1 мкм соответственно, НЯ@1 мкм - с высоким отражением для Л = 1 мкм, остальные пояснения в тексте.
линзу, фокусное расстояние которой различно для обыкновенной и необыкновенной волн. В условиях неоднородной продольной накачки использование такого АЭ приводило к расщеплению критических конфигураций для излучений на длинах волн 1.047 и 1.053 мкм с взаимно ортогональными поляризациями. Диаметр гауссовой моды на зеркале М1 составлял около 400 мкм. Зеркало М2 имело коэффициент отражения 92%.
В качестве источника излучения накачки использовался одиночный лазерный диод (ЛД) с рабочей длиной волны излучения Л = 805 нм и с шириной полоскового контакта 2 х 150 мкм. Для согласования линии излучения ЛД с полосой поглощения иона-активатора АЭ источник накачки был термостатирован. Во всех экспериментах поляризация излучения ЛД совпадала с кристаллографической осью АЭ.
Расходимость излучения ЛД составляла 30о по осп, перпендикулярной плоскости гетероперехода - "быстрая" ось, и 8° по оси, параллельной плоскости гетероперехода -"медленная" ось. Коллимация излучения ЛД вдоль "быстрой" оси осуществлялась цилиндрической линзой, затем сферической линзой осуществлялось формирование пучка накачки в АЭ. Оптическая схема накачки лазера показана на рис. 2(а). Использовались цилиндрическая линза (ЦЛ) с фокусным расстоянием Г = 0.285 мм и сферическая (СЛ) с фокусным расстоянием Гс = 4.24 мм.
Рис. 2: Оптическая схема накачки вдоль "быстрой" и "медленной" осей (а) и соответственно пространственные распределения излучения накачки в активном элементе (б). ЛД - лазерный диод, ЦЛ - цилиндрическая линза, СЛ - сферическая линза.
Схема накачки позволяла изменять рабочие отрезки ЛД-СЛ (¿1,2, рис. 2) и СЛ-АЭ и следовательно изменять размеры пучка накачки в АЭ. В экспериментах использовалось два варианта рабочих отрезков ЛД-СЛ: = 6 мм ("мягкая" фокусировка) и 12 = 10 мм ("жесткая" фокусировка). Пространственные распределения излучения накачки в активном элементе в этих случаях приведены на рис. 2(6).
Размер накачки в АЭ при "жёсткой" фокусировке 120 мкм хЮО мкм по уровню 0.5, степень неоднородности накачки (отношение диаметра нулевой моды к диаметру накачки) составляет 3.3 х 4. При "мягкой" фокусировке размер накачки 250 мкм х 200 мкм и степень неоднородности составляет 1.6 х 2, что уже близко к предельному значению 1.26, когда еще проявляются "критические" конфигурации [14].
Зеркало М2 было установлено на платформу фирмы 81апс1а с шаговым двигателем, что позволяло перемещать его с высокой точностью параллельно себе в пределах обла-
сти устойчивости резонатора без разъюстировок. Распределения интенсивности выходного излучения регистрировались ССБ-камерой ТНОШ^АВЭ ВСЮб-УК, установленной на расстоянии 30 см от выходного зеркала. Ослабление интенсивности излучения, падающего на ПЗС матрицу ССБ-камеры, осуществлялось при двукратном отражении на поверхностях образцовых плоскопараллельных пластин СР из стекла К8. Перед ССБ-камерой были установлены светофильтры Ф для подавления излучения накачки и видимого излучения (рис. 1). Измерение мощности лазерного излучения осуществлялось измерителем мощности Р1еЫМай1ег с измерительной головкой ЬМ-10.
В эксперименте определялась зависимость пороговой мощности накачки от длины резонатора. Измерения проводились в областях вырождений, соответствующих "критическим" конфигурациям резонатора, определяемых значениями дроби г/в = 1/4,1/3, 3/8, 2/5.
Рис. 3: Порог Ргн мощности накачки Мс1:УЬЕ-лазера в областях "критической" конфигурации резонатора для г/в = 1/4,1/3 в условиях "мягкой" и "жесткой" фокусировки излучения накачки, а также доля а излучения на длине волны 1.053 мкм в выходной генерации лазера.
Рис. 4: Доля а мощности излучения на длине волны X = 1.053 мкм вблизи полуконфокальной конфигурации при мощности накачки 2 Вт.
В условиях "жёсткой" фокусировки наблюдались минимумы порога генерации вблизи "критических" конфигураций резонатора соответственно для длин волн 1.047 и 1.053 мкм. При мягкой фокусировке излучение с длиной волны 1.053 мкм не наблюдается, минимум порога накачки при длине волны генерации 1.047 мкм становится менее глубоким.
На рис. 3 приведены зависимости пороговой мощности накачки от длины резонатора ^:УЬР-лазера в областях "критических" конфигураций для г/в = 1/4,1/3 в условиях "мягкой" и "жесткой" фокусировок излучения накачки, а также доля мощности излучения с длиной волны 1.053 мкм в выходной генерации лазера.
Полученные экспериментально значения длин резонатора (Ьехр), при которых наблюдалось снижение порога генерации, приведены в табл. 1. Расчет длин резонатора, соответствующих г/в = 1/4; 1/3; 3/8; 2/5 осуществлялся на основе соотношения (1) и выражения для параметров устойчивости д1д2 использовавшегося резонатора:
91 д2 =
1 + (Ь - 1ае) -
пае - 1
яае
1
1ае (пае - 1) ^аепае
(2)
где 1ае - длина АЭ, Ь - длина резонатора, пае - показатель преломления АЭ (пае(1.047 мкм) = 1.470, пае(1.053 мкм) = 1.448), яае - радиус кривизны грани АЭ.
Рассчитанные значения длин резонатора Ьса1 (1.047/Ьса1 (1.053) и соответствующего расщепления длин АЬ = Ь(1.053) - Ь(1.047) также приведены в табл. 1. Необходимо
отметить, что расщепление АЬ^, обусловленное двулучепреломлением АЭ, составляет 0.13 мм для длин волн 1.047 и 1.053 мкм. Наибольший вклад порядка нескольких мил-
АЬ
сферической поверхности двулучепреломляющего АЭ - АЬд. Видно, что экспериментальные значения находятся в хорошем соответствии с расчётными.
Т а б л рт ц а 1
r/'s 9192 Lcai(1.047), мм Lexp(1.047), мм AL = ALexp, Ширина
Lcai(1.053), мм Lexp(1.053), мм = ALl + ALr, ММ ММ области L, генерации 1053 им, мм
1/4 0.5 67,7 67.8 ± 0.2 3.1 3.2 ± 0.2 2.8
70.8 70.8 ± 0.2
1/3 0.25 100.7 100.7 ± 0.2 4.7 4.8 ± 0.2 1.8
105.4 105.3 ± 0.2
3/8 0.146 114.3 114.2 ± 0.2 5.4 4.6 ± 0.2 0.9
119.7 119.7 ± 0.2
2/5 0.095 121.1 121.0 ± 0.2 5.6 4.8 ± 0.2 0.5
126.7 126.6 ± 0.2
В отличие от работ [6, 7], в которых авторам удалось получить двухчастотную генерацию с использованием различных схем внутрирезонаторной селекции, в настоящей работе получена устойчивая двухчастотная генерация одновременно на 1.047 и 1.053 мкм при использовании неоднородной продольной накачки путем выбора нужной длины резонатора. Зависимость доли мощности излучения на длине волны 1.053 мкм от длины резонатора вблизи полуконфокальной конфигурации (r/s = 1/4) приведена на рис. 4.
На рис. 5 приведены пространственные распределения в лазерных пучках с ортогональными поляризациями с длинами волн 1.047 и 1.053 мкм при длине резонатора 64.3 мм, соответствующей приблизительно равному соотношению их мощностей в выходном излучении лазера.
Таким образом, в работе получена устойчивая двухчастотная генерация с длинами волн 1.047 и 1.053 мкм в резонаторе с линзоподобньтм Xd:YLF активным элементом при
1.047 m km (56%) 1.053 mkm (44%)
Рис. 5: Пространственные распределения излучения лазера на длинах волн 1.047 и 1.053 мкм. В скобках указана доля мощности излучения данной длины волны.
существенно неоднородной продольной диодной накачке. Управление длиной волны генерации осуществлялось путем изменения длины вблизи "критических" конфигураций резонатора.
Такой источник представляется перспективным для использования в компактных эффективных генераторах излучения 1.63 ТГц в схемах генерации разностной частоты. Представляется интересным и непосредственное использование особенности его излучения (две длины волны 1.047 и 1.053 мкм с ортогональными поляризациями) в медико-биологических экспериментах по изучению влияния на биосистемы наведенной поляризации, вращающейся с терагерцовой частотой обращения.
Данная работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты Ж№ 09-02-01190-а, 09-02-00638-а), 11-02-12102-офи-м-2011 Программы фундаментальных исследований отделения физики РАН "Фундаментальные проблемы фотоники и физики новых оптических материалов", Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 21, Учебно-научного комплекса ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Х-С Zhang, Xu J, Introduction to THz Wave Photonics (New York, Springer, 2009).
[2] С. В. Гарнов, И. А. Щербаков, УФН 181(1), 97 (2011).
[3] Y-S. Lee, Principles of Terahertz Science and Technology (New York, Springer, 2009).
[4] M. M. Назаров, А. А. Ангелуц, Д. А. Сапожников, А. И. Шкуринов, Известия вузов. Радиофизика 52(8), 595 (2009).
[5] Г. X. Китаева, А. Н. Ленин. А. Н. Тучак, Оптика и спектроскопия 107. 553 (2009).
[6] А. А. Сироткин, С. В. Гарнов, А. И. Загуменный и г; Квантовая электроника 39, 802 (2009).
[7] P. Zhao, S. Ragam, Y. J. Ding, I. B. Zotova, Optics Letters 35, 3970 (2010).
8 В. В. Б езотосныи, М. С. Кривонос, К). М. Попов и др., 'Известия ВЫСШИХ учебных
заведений. Физика 54(2). 73 (2011). [9] P. Laporta and М. Brussard, IEEE J. Quantum Electron. 27, 2319 (1991).
[10] Hsiao-Hua Wu, Chich-Chang Sheu, Ting-Wei Chen, et al.. Optics Communications 165, 225 (1999).
[11] G. Martel, C. Labbe, F. Sanches, et al., Opt. Commun. 201, 117 (2002).
[12] V. V. Bezotosnyi, E. A. Cheshev, M. V. Gorbunkov, et al., Appl. Opt. 47, 3651 (2008).
[13] V. Besotosnii, E. Cheshev, M. Gorbunkov, et al., Appl. Phys. В 101, 71(2010).
[14] M. В. Горбунков, П. В. Кострюков, В. Г. Тункин, Квантовая электроника 38(7), (2008).
Поступила в редакцию 31 марта 2011 г.
