CC BY
138
Оптика и квантовая электроника Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 5 (3), с. 85-87
УДК 535.33
ЭФФЕКТИВНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР НА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ^: ZnSe C ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ
© 2011 г. А.В. Владыкин, О.Н. Еремейкин, Н.Г. Захаров, А.П. Савикин, В.В. Шарков
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 14.03.2011
На поликристаллическом Cr2+:ZnSe при накачке на длине волны 1.908 мкм излучением Tm:YLF-лазера с диодной накачкой, работающего в режиме модуляции добротности (частота следования импульсов 3 кГц), в области 2.32 мкм получена эффективная генерация (полный КПД ~38%) при средней мощности генерации ~3 Вт (длительность импульса ~ 40 нс). Получена перестройка в диапазоне длин волн 2170^2400нм с шириной линии ~10 нм.
Ключевые слова: лазер на кристалле Tm:YLF, диодная накачка, модуляция добротности, лазер на поликристаллическом Cr2+:ZnSe.
Введение
Одно из перспективных направлений создания твердотельных источников когерентного излучения среднего ИК диапазона для решения таких прикладных задач, как лазерная спектроскопия, медицинская диагностика и экологический мониторинг, основано на использовании кристаллов халькогенидов (ZnS, ZnSe, CdSe и др.), легированных ионами переходных металлов (Сг, Со, №, Fe). В частности, лазеры на кри-
2+^о /"'• 2+ г-7 о
сталлах Сг :ZnSe и Сг :ZnS имеют полосу перестройки 2.1 —3.1 мкм [1-3].
Полоса поглощения кристалла Cг2+:ZnSe с максимумом на длине волны 1,8 мкм (ширина полосы ~300 нм) определяет выбор источников накачки. Наряду с диодными лазерами [4] для накачки применяются тулиевые волоконные [5] или кристаллические лазеры [6-8], излучающие в диапазоне длин волн 1.8-2 мкм. Была продемонстрирована возможность эффективного воз-
ТггкУЬР ІаБег, 1908 пт
1 2
буждения лазера на поликристалле Cr2+:ZnSe излучением импульсно-периодического Tm:YLF лазера, работающего в режиме модуляции добротности при использовании акустооптического модулятора [9]. Это обеспечивает высокую импульсную мощность (несколько десятков киловатт) при частоте следования импульсов в несколько килогерц и делает перспективным использование лазера в аналитической спектроскопии с регистрацией сигнала методом синхронного детектирования.
В работе представлены результаты исследования генерационных характеристик эффективного перестраиваемого лазера на поликристал-лическом &2+:2^е с импульсно-периодической накачкой.
Описание экспериментальной установки
Как и в ранних экспериментах, использовался образец поликристаллического Cr2+:ZnSe,
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - Tm:YLF-лазер, 2 - оптическая развязка, 3 - система линз, 4 - активный элемент из Cг2+:ZnSe, 5 - «глухое» зеркало, 6 - дихроичное зеркало, 7 - выходное зеркало, 8 - фильтр Лио
полученный методом высокотемпературной диффузии [9]. Для уменьшения поверхностного поглощения была проведена более тщательная полировка поверхностей образца.
Для оптической накачки образца Cr2+:ZnSe использовался импульсно-периодический Tm: YLF-лазер с диодной накачкой, генерирующий линейно поляризованное излучение на длине волны 1908 нм. При частоте модуляции 3 кГц длительность импульсов генерации составляла ~70 нс при средней мощности до 8 Вт.
Излучение Tm:YLF-лазера 1 после прохождения системы оптической развязки 2, состоящей из поляризационного клина и четвертьволновой пластинки, приобретало круговую поляризацию, после чего фокусировалось системой линз 3 внутрь образца Cr2+:ZnSe 4 (толщина ~3.6 мм, диаметр 20 мм) (рис. 1). При этом диаметр пучка накачки в перетяжке составлял —550 мкм. Образец был закреплен в медной оправе без дополнительного охлаждения и ориентирован в схеме резонатора под углом Брюстера. Резонатор формировался зеркалами 5, 6 и
7. Плоское зеркало 5 имело высокий коэффициент отражения на длинах волн 1.9—2.5 мкм (не менее 99.5%), что позволяло увеличить долю поглощенной мощности накачки за счет двойного прохода пучка накачки через активный элемент. Дихроичное зеркало 6 имело высокое отражение в диапазоне 2.1-2.5 мкм (=99% для вертикальной поляризации) и высокий коэффициент пропускания на длине волны накачки (=90%). В качестве выходного использовалось сферическое зеркало 7 с кривизной ^=300 мм и коэффициентом пропускания на длине волны генерации —80%. Выбранная конфигурация резонатора обеспечивала хорошее согласование области накачки с основной модой резонатора (диаметр —500^600 мкм) в возможном диапазоне значений тепловой линзы (с фокусным расстоянием от 30 до 300 см), наводимой в активном элементе. Для перестройки спектра генерации внутрь схемы помещался фильтр Лио
8, состоящий либо из двух кварцевых пластин c толщиной 0.8 мм и 2.56 мм, либо из одной пластинки толщиной 6 мм, ориентированных под углом Брюстера к оси резонатора (рис. 1).
Результаты и их обсуждение
Порог генерации составлял —0.2 Вт. При мощности накачки Рритр = 7.9 Вт (с учетом потерь на дихроичном зеркале) средняя мощность генерации имела величину Р^е„ = 3 Вт (рис. 2).
Помимо потерь на дихроичном зеркале значительная часть мощности накачки (—25%) те-
3,0
I 2,0
03
2 1,5- У
Л /
1 *
I 1.0- X
I . X
5 0,5- _/■
о.о 4-^-1—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|
012345678 Мощность накачки, Вт
Рис. 2. Зависимость средней мощности генерации
лазера на Сг2+^^е от мощности Тш:УЬЕ-лазера
накачки
рялась при отражении излучения с круговой поляризацией от входного торца активного элемента. При этом поглощение мощности накачки в образце Сг2+^пБе, ориентированном под углом Брюстера, составляло —70%. Полный КПД лазера при коэффициенте пропускания выходного зеркала —20% составил п—38%, что соответствовало дифференциальной эффективности по поглощенной мощности ^0^—75%. При средней мощности Ргег=3 Вт длительность импульса генерации Сг2+^пБе лазера равнялась ^^„-40 нс, что соответствует импульсной мощности генерации Рриь=25 кВт с энергией в импульсе Е=1 мДж.
Лазер генерировал линейно поляризованное излучение, что наряду с ориентацией активного элемента определялось селективными свойствами дихроичного зеркала 6, вносящего наименьшие потери для вертикальной поляризации.
Спектр генерации в неселективном резонаторе находился в области Х=2.32 мкм, соответствующей достаточно широкому максимуму спектра люминесценции Cr2+:ZnSe [1, 9, 10]. Ширина линии генерации по уровню 0.5 составляла ДХ =50 нм.
Использование фильтра Лио, состоящего из двух кварцевых пластин (с толщиной 0.8 и 2.56 мм) обеспечивало перестройку длины волны генерации в диапазоне ДХ=2170^2400 нм с шириной линии 5Х=10^15 нм (рис. 3). Снижение мощности генерации в максимуме перестроечной кривой составляло —15 % в сравнении с неселективным резонатором. Длинноволновая граница диапазона перестройки была обусловлена резким снижением коэффициента отражения зеркал резонатора.
Рис. 3. Перестроечная кривая спектра генерации лазера на Cr2+:ZnSe
При помещении внутрь резонатора одной кварцевой пластинки толщиной 6 мм в спектре генерации наблюдались два максимума с шириной 5Х=4 нм по уровню 0.5 и расстоянием между максимумами генерации ДА=80 нм. Это позволило найти фактор резкости фильтра F=ДA/5X. Величина F=20 свидетельствует о хороших селектирующих свойствах фильтра Лио в данном лазере, несмотря на малую длительность импульса генерации и большие поляризационные потери, вносимые дихроичным зеркалом.
Выводы
В работе исследованы генерационные характеристики лазера на поликристаллическом Cr2+:ZnSe, помещенного в неселективный и селективный резонаторы, при оптической накачке излучением Тш:УЬБ-лазера на длине волны 1.908 мкм, работающего в импульсно-периодическом режиме генерации (частота следования импульсов 3 кГц), с непрерывной диодной накачкой. Получена эффективная генерация со средней мощностью до 3 Вт (полный КПД ~38%) и энергией в импульсе =1 мДж на длине волны 2.32 нм, а также получена перестройка в
диапазоне длин волн 2170^2400 нм с шириной линии ~10 нм.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ИХВВ РАН Е.М. Гаврищуку и С.С. Балабанову за предоставленные образцы Cr:ZnSe. Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект №2.1.1/3603), а также ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (контракт № 02.740.11.0563).
Список литературы
1. Sorokina I.T. // Optical Materials. 2004. V. 26. Iss. 4. P. 395-412.
2. Грэхэм К., Фёдоров В.В., Миров С.Б., Дорошенко М.Е., Басиев Т.Т., Орловский Ю.В., Осико В.В., Бадиков В.В., Панютин В.Л. // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 1.С. 8-14.
3. Акимов В.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. // Квантовая электроника. 2005. Т. 35, № 5. С. 425-428.
4. Moskalev I.S., Fedorov V.V., Mirov S.B. // Proc. SPIE. 2010. V. 7578. Paper 75781K (doi:10.1117/ 12.841377).
5. Peterson R.D. and Schepler K.L. // Advanced Solid-State Photonics. 2005 / Eds. by C. Denman and I. Sorokina / V. 98 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America). Paper 236.
6. Alford W.J., Wagner G.J., Sullivan A.C., Keene J.A., and Carrig T.J. // Advanced Solid-State Photonics. 2003 / Ed. by J. Zayhowski, V. 83 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America). Paper 13.
7. Koranda P., JeHnkova H., Nemec M., Sulc J., Doroshenko M., Basiev T.T., Komar V.K., Gerasimenko A.S., Badikov V.V. // Proc. SPIE. 2008. V. 6998. Paper 69980R.
8. Захаров Н.Г., Антипов О.Л., Савикин А.П., Шарков В.В., Еремейкин О.Н., Фролов Ю.Н., Мищенко Г.М., Великанов С. Д. // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 5. С. 410-414.
9. Андронов А. А., Балабанов С.С., Гаври-щук Е.М., Еремейкин О.Н., Захаров Н.Г., Савикин А.П., Тимофеева Н.А., Шарков В.В. // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 12. С. 1109-1111.
10. Moskalev I.S., Fedorov V.V. and Mirov S.B. // Optics Express. 2008. V. 16. Iss. 6. P. 4145-4153.
HIGH-EFFICIENCY TUNABLE LASER BASED ON POLYCRYSTALLINE CR2+:ZNSE UNDER PULSE-PERIODIC PUMPING
A. V. Vladykin, O.N. Eremeykin, N.G. Zakharov, A.P. Savikin, V. V. Sharkov
A high-efficiency laser based on polycrystalline Cr2+:ZnSe is demonstrated at 2.32 ^m. The laser is pumped by a Q-switched diode-pumped Tm:YLF laser at 1.908 ^m (pulse repetition rate 3 kHz) and is tunable in the range from 2170 to 2400 nm, with a total efficiency of =38 %, pulse duration ~ 40 ns, and an average power of 3 W.
Keywords: Tm:YLF laser, diode pumping, Q-switching, polycrystalline Cr2+:ZnSe laser.
