CC BY
22
УДК 621.373.826
ЭФФЕКТИВНЫЙ И КОМПАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ Cr2+:CdSe-ЛАЗЕР, ИЗЛУЧАЮЩИЙ В ОБЛАСТИ ДЛИН ВОЛН 2.8 МКМ И 3.3 МКМ
Н. Г. Захаров1, К. В. Воронцов1, Ю.Н. Фролов1, С. Д. Великанов1, А. В. Мухин1, А. В. Ларионов1, В. И. Козловский2, Ю.В. Коростелин2, Ю.П. Подмарьков2, Я. К. Скасырский2, М.П. Фролов2
В лазере на монокристалле Cr2+ :CdSe получен импульсно-периодический режим генерации на длинах волн в области 2.8 и 3.3 мкм. В области 2.8 мкм эффективность преобразования накачки в лазерное излучение составила ~28% (более 50% от поглощённой энергии). В области 3.3 мкм получена генерация на нескольких перестраиваемых узких линиях, подходящих для использования в дистанционных лидарах. Эффективность преобразования накачки в лазерное излучение в этой спектральной области составила более 17% (более 30% от поглощённой энергии).
Ключевые слова: Cr2+ :CdSe-лазер, лазеры ИК диапазона, лидары, твердотельные лазеры, перестраиваемые лазеры, кристаллы A2B6.
Лазерные источники, работающие в среднем ИК диапазоне спектра, представляют интерес для широкого круга практических применений в медицине и спектроскопии, в том числе при мониторинге атмосферы и дистанционном зондировании утечек углеводородов из магистральных газопроводов [1]. Для дистанционной регистрации углеводородов оптическим методом дифференциального поглощения большое внимание привлекает спектральная область в районе 3.3 мкм из-за сильных линий поглощения метана и этана и наличия окон прозрачности атмосферы. Излучение с длиной волны
1 Институт лазерно-физических исследований ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 607190 Россия, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37; e-mail: nikitagz@rambler.ru.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр., 53; e-mail: frolovmp@x4u.lebedev.ru.
~2.8 мкм может быть с успехом использовано в медицинских целях (в том числе для косметических операций) или для накачки перспективных кристаллов Ее2+^п8е, позволяющих получать генерацию в диапазоне 4-5 мкм.
Разработка эффективных дифференциальных лидаров, работающих в области 3.3 мкм, ограничивается отсутствием узкополосных перестраиваемых лазерных источников с высокой энергетикой, частотой следования и приемлемыми эксплуатационными характеристиками. Низкие мощностные параметры существующих Не-Ые и перестраиваемых полупроводниковых лазеров не позволяют лидарам на их основе одновременно достигать высокой чувствительности и достаточного для авиационного применения быстродействия, определяющего пространственное разрешение всей системы. Эксплуатационные характеристики (сложность и громоздкость) параметрических генераторов среднего ИК диапазона, генераторов разностной частоты и химических лазеров ограничивают их практическое использование в лидарах. При отсутствии возможности генерации одновременно опорной и аналитической длин волн в одном дистанционном анализаторе необходимо применение сразу двух лазерных источников, что увеличивает энергопотребление и массогабаритные характеристики системы в целом.
Зондирование углеводородов практически во всех российских лазерных лидарах реализовано только по поглощению метана, присутствующего как фоновая составляющая в воздухе (особенно в заболоченных участках местности), что приводит к ложным срабатываниям. В результате существующие отечественные дистанционные лидарные системы обладают либо низкими диагностическими характеристиками, либо плохими эксплуатационными параметрами. Возможность осуществления зондирования одним лазерным источником с достаточной частотой следования импульсов и их энергетикой, а также анализ наличия углеводородов по двум газам (этана и метана) позволит достичь высоких эксплуатационных характеристик лидара и его помехозащищенности [1, 2].
Перспективной активной средой для создания эффективного и компактного твердотельного лазерного источника, работающего в спектральной области ~3.3 мкм, является кристалл Cr2+:CdSe. К настоящему времени на кристалле Cr2+:CdSe продемонстрирована лазерная генерация с широкой полосой перестройки (в диапазоне 2.26-3.61 мкм в моноимпульсном [3] и 2.35-3.45 мкм в непрерывном режимах [4]), захватывающей область 3.3 мкм. В максимуме полосы усиления (2.6 мкм) получена непрерывная лазерная генерация мощностью до 1.7 Вт и достигнут дифференциальный КПД по поглощенной мощности накачки свыше 50% [5]. Ранее в работе [6] в импульсно-периодическом ре-
жиме генерации (1 кГц) было получено 815 мВт средней мощности на длине волны 2.6 мкм, однако при перестройке спектра в длинноволновую область мощность генерации существенно падала (50 мВт для 2.9 мкм).
Целью настоящей работы было исследование работы Сг2+ :CdSe-лазера в импульсно-периодическом режиме на длине волны ^2.8 мкм и в спектральном диапазоне 3.3 мкм с одновременной генерацией нескольких узких линий, подходящих для эффективного использования в дифференциальных лидарах.
Рис. 1: Схема экспериментальной установки: 1 - Тш:УЛ\03-лазер; 2 - фокусирующая система; 3 - диафрагма; 4 - входное плоское зеркало; 5 - активный элемент из Сг2+ :СйБе; 6 - эталон Фабри-Перо; 7 - интерференционно-поляризационный фильтр; 8 - выходное зеркало.
Оптическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Резонатор Сг2+ :CdSe-лазера был образован входным дихроичным плоским зеркалом (4), пропускавшим 95% излучения накачки и имевшим отражение на рабочей длине волны 99%, и выходным сферическим (Я = 20 см) зеркалом (8). Для получения генерации в различных диапазонах длин волн применялись зеркала резонатора с соответствующими спектральными характеристиками. Для генерации в области 2.8 мкм использовалось выходное зеркало с коэффициентом отражения 65% в диапазоне 2.7-2.9 мкм. Генерация в области 3.3 мкм обеспечивалась другим выходным зеркалом, имеющим коэффициент отражения 80% в диапазоне 3.3-3.5 мкм. Кроме того, для исследования возможности управления шириной спектра генерации за счёт параметров резонатора в экспериментах применялся набор более узкополосных входных и выходных зеркал, уровень максимального коэффициента отражения которых оставался практически неизменным (небольшое различие определялось точностью изготовления зеркал). Резонатор имел длину ^7.5 см.
Для перестройки и сужения спектра генерации применялся интерференционно-поляризационный фильтр (7), представляющий собой плоскопараллельную сапфи-
ровую пластинку толщиной 5 мм, вырезанную параллельно оптической оси. Для функционирования фильтра необходимо, чтобы излучение генерации было линейно-поляризованным, поэтому фильтр устанавливался под углом Брюстера.
Для выделения нескольких отдельных узких линий генерации с необходимыми длинами волн в резонатор дополнительно устанавливался эталон Фабри-Перо (плоскопараллельная пластина из CaF2 толщиной 1.6 мм), имеющий область свободной дисперсии ~2.45 нм.
Лазерный активный элемент (АЭ) (длиной 4.5 мм, толщиной 1.5 мм и шириной 9 мм) был изготовлен из монокристалла Cr2+:CdSе, выращенного на монокристаллической затравке физическим транспортом в инертном газе из паровой фазы с одновременным легированием в процессе роста по технологии, разработанной для выращивания легированных монокристаллов соединений А2В6 [7]. Определенная по спектру поглощения концентрация ионов в исследуемом кристалле составляла 1.1 • 1018 см 3. Коэффициент поглощения на длине волны накачки составлял 3 см-1.
На рабочие поверхности АЭ были нанесены просветляющие покрытия для излучения накачки и генерации с остаточным отражением не более 1.5% от одной грани. Направление оптической оси кристалла (кристалл имел гексагональную структуру) с точностью 4° совпадало с осью резонатора. АЭ через индиевую фольгу был закреплен в медном радиаторе, без принудительного охлаждения.
Накачка Cr2+:CdSe-лазера осуществлялась излучением с длиной волны ~1.99 мкм импульсно-периодического Тш:УА103-лазера с диодной накачкой. Частота следования импульсов варьировалась от 2 до 5 кГц, а падающая на кристалл &2+ :CdSе энергия импульса накачки достигала 2.4 мДж. Характерная длительность импульсов накачки составляла 150 нс при частоте следования импульсов накачки 2 кГц. Пучок Тш:УА103-лазера через входное зеркало фокусировался в АЭ в пятно диаметром ~0.7 мм. Направление пучка накачки составляло небольшой угол (~1.5°) с оптической осью резонатора Cr2+:CdSe-лазера. При этом внутри кристалла пучок накачки имел угол с осью резонатора < 40', что обеспечивало хорошее согласование объемов накачки и лазерной моды. В то же время использование такой схемы позволило исключить оптическую связь резонаторов лазера накачки и Cr2+:CdSe-лазера.
В условиях наших экспериментов поглощенная кристаллом энергия накачки составляла ~50% от источника накачки.
На рис. 2 приведена зависимость энергии генерации Cr2+:CdSe-лазера ЕоиЬ от энергии накачки, падающей на кристалл. Дифференциальный КПД лазера п, определен-
Рис. 2: Зависимости энергии генерации Ог2+ :CdSe-лазера от энергии накачки для диапазонов длин волн 2.8 мкм (1) и 3.3 мкм (2).
ный по наклону проведенной через экспериментальные точки прямой, для диапазона длин волн 2.8 мкм при энергии накачки до 1.3 мДж составил 31%, а для диапазона длин волн 3.3 мкм - п = 20%. При больших энергиях накачки наблюдалось снижение эффективности лазера, по-видимому, связанное с тепловыми эффектами, а также рассогласованием моды резонатора с областью накачки за счёт изменения расходимости пучка генерации Тш:УЛ103-лазера с увеличением энергии. Пороговая энергия накачки составила 9 мкДж, что достигалось благодаря высокой импульсной мощности накачки. Максимальная энергия Тш:УЛ103-лазера была ограничена величиной 2.4 мДж. При этой энергии накачки для диапазонов длин волн 2.8 и 3.3 мкм максимальные значения составили 0.65 и 0.4 мДж, а эффективности преобразования накачки - 28% (более 50% от поглощённой энергии) и 17% (более 30% от поглощённой энергии), соответственно.
Длительность импульсов генерации зависела от энергии накачки и, соответственно, длительности импульсов накачки. Характерная длительность импульсов генерации составляла 100 нс. Импульсная мощность в диапазоне генерации 2.8 мкм достигала 6.5 кВт, а в области 3.3 мкм - 4 кВт.
Характерный спектр генерации Сг2+ :CdSe-лазера в области 3.3 мкм в отсутствие внутрирезонаторных селектирующих элементов представлен на рис. 3. В зависимости от спектральных характеристик зеркал ширина линии генерации варьировалась от 20
Рис. 3: Характерный спектр Ог2+ :CdSe-лазера в области 3.3 мкм в отсутствие внут-рирезонаторных селектирующих элементов (спектральное разрешение 1.5 нм).
до 100 нм. Следует отметить высокую чувствительность Сг2+ :CdSe-лазера к внутри-резонаторным потерям, связанным с линиями поглощения атмосферных газов (например, паров воды). Для устранения изрезанности спектра генерации была осуществлена продувка азотом полости резонатора, позволившая практически полностью устранить провалы в линии генерации источника.
С помощью интерференционно-поляризационного фильтра и эталона Фабри-Перо была реализована генерация на нескольких перестраиваемых линиях, имеющих полуширину менее 0.5 нм (предельное разрешение спектральной аппаратуры). Все линии находились в области прозрачности атмосферы с минимальным поглощением паров воды. Далее, две из наиболее интенсивных линий были настроены на линии поглощения этана 3336.8 нм и метана 3334.3 нм. В качестве реперной линии была взята интенсивная линия 3331.8 нм, не совпадающая с линиями поглощения указанных углеводородов. Спектр генерации и линии поглощения метана и этана представлены на рис. 4. Этот результат свидетельствует о перспективности использования данного режима в лидарах, настроенных на обнаружение природного газа, основными составляющими которого являются метан и этан.
Таким образом, в данной работе в лазере на основе кристалла Сг2+ :CdSe с накачкой импульсно-периодическим излучением Тш:УЛ103-лазера получена эффективная генерация в диапазонах длин волн 2.8 и 3.3 мкм. Лазер мог одновременно работать на
Рис. 4: (1) - спектр генерации Сг2+ :СдъБе-лазера с внутрирезонаторной селекцией (спектральное разрешение 0.5 нм). (2), (3), (4) - спектры пропускания этана (2), метана (3) и паров воды (4), соответственно.
линиях поглощения метана, этана и линии, свободной от поглощения в атмосфере. Исследованный лазер, генерирующий в диапазоне 3.3 мкм, обладает высокой эффективностью (относительно потребляемой электрической мощности ^2%), достаточной энергетикой и частотой следования импульсов, компактностью и простотой оптической схемы. Предложенный вариант лазерного источника потенциально превосходит все известные излучатели, применяемые в современных российских лидарах, по ряду параметров, таких как мощностные и весогабаритные и пр., что делает его перспективным источником для систем дистанционной диагностики утечек углеводородов из газопроводов с размещением на легкомоторном летательном аппарате.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-2896.2013.2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. О. Петухов, В. А. Горобец, Ю. М. Андреев, Г. В. Ланский, Квантовая электроника 40(2), 173 (2010).
[2] M. V. Kabanov, Yu. M. Andreev, P. P. Geiko, Proc. II Int. Conf. Reduce of Metane Mitigation, Novosibirks, 2000 (Novosibirsk State Techn. Univ., 2000), p. 5.
[3] В. А. Акимов, В. И. Козловский, Ю. В. Коростелин и др., Квантовая электроника 38(3), 205 (2008).
[4] М. А. Губин, А. Н. Киреев, Ю. В. Коростелин и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 38(7), 34 (2011).
[5] В. И. Козловский, Ю. В. Коростелин, А. И. Ландман и др., Квантовая электроника 40(1), 7 (2010).
[6] J. McKay, K. L. Schepler, G. C. Catella, Optics Letters 24, № 22, 1575 (1999).
[7] V. A. Akimov, M. P. Frolov, Yu. V. Korostelin, et al., Phys. Status Solidi C 3, 1213 (2006).
Поступила в редакцию 11 февраля 2015 г.
