CC BY
31
номер 11, 2008 г.
Краткие сообщения по физике ФИАН
УДК 537.86:530.145, 621.373.5.038.825.2
ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ВЕРХНЕГО ЛАЗЕРНОГО УРОВНЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ПАССИВНЫМ ЗАТВОРОМ В РЕЗОНАТОРЕ
М. И. Беловолов, А. Ф. Шаталов
Описан метод измерения радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня активного элемента в резонаторе твердотельного лазера с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности.
При оптимизации импульсных твердотельных лазеров (ТТЛ) с диодной накачкой и пассивным затвором в резонаторе важным параметром является радиационное время г жизни верхнего лазерного уровня активного элемента (АЭ) ТТЛ [1]. Это время, измеренное по стандартной методике [2] для АЭ вне резонатора, может отличаться от времени т для АЭ в резонаторе из-за усиления последним спонтанного излучения.
В данной работе описан метод измерения радиационного времени г жизни верхнего лазерного уровня АЭ, находящегося в резонаторе ТТЛ с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности.
В этом методе действующее значение тока диода накачки ТТЛ комбинируется из постоянной /0 и импульсной /, составляющих. На рис. 1 показаны зависимости мощности Рп (а) оптической накачки и плотности п (б) инверсной населенности в АЭ от времени при импульсной генерации ТТЛ, соответствующей этой накачке. Постоянная Р0 и импульсная Р, составляющие оптической мощности накачки соответствуют действующим токам /о и /, диода, а оптическая мощность Рр = Ро + Р, соответствует току 1р = 10 + /,;Т - период следования импульсов накачки, т, - их длительность, Р = — -частота следования, Го - время задержки начала генерации лазера относительно переднего фронта импульса накачки, п, и П/ - плотности инверсной населенности АЭ в начале и в конце генерации ТТЛ, апо/- плотность инверсной населенности АЭ, обусловленная мощностью Р0 накачки.
Используя уравнения динамики для плотности п инверсной населенности в АЭ [1], время То задержки начала генерации ТТЛ с пассивным затвором в резонаторе можно
Рис. 1. Зависимости мощности Рп (а) оптической накачки и плотности п (б) инверсной населенности в АЭ от времени.
выразить через параметры накачки лазера
То = т1п^^, (1)
хр - 1
Рр 1р Ро IО
где хр = — = —, Хо = — = —, -г< - пороговая оптическая мощность, а/(- соответ-Р% м Рг и
ствующий ей пороговый ток накачки лазера. Из (1) следует, что радиационное время г АЭ в резонаторе лазера можно измерять по задержке То, которая зависит от параметров хр и х0 диодной накачки ТТЛ.
Схема экспериментальной установки для измерения радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня АЭ ТТЛ с пассивным затвором в резонаторе показана на рис. 2. Источник тока 1 модулировал выходную мощность излучения (длина волны Ар = 805 нм) лазерного диода 2 накачки, имеющего выход излучения через оптическое волокно 3. Ширина спектра излучения накачки на полувысоте составляла 2 нм. Микрообъектив 4 фокусировал излучение из выходного торца волокна 3 на АЭ 5 в пятно диаметром 90 мкм. Активным элементом служил активированый неодимом кристалл кальций-галлий-германиевого граната Са3Са2Сез012^с13+, который укреплялся
номер 11, 2008 г.
Краткие сообщения по физике ФИАН
4 5 6
\
I
10
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для измерения радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня АЭ ТТЛ с пассивным затвором в резонаторе. 1 - источник тока; 2 - лазерный диод; 3 - оптическое волокно; 4 - микрообъектив; 5 - АЭ; 6 - пассивный затвор; 7 - выходное сферическое зеркало; 8 - фотоприемник; 9 - осциллограф; 10 измеритель мощности.
на медном теплоотводе с помощью термопасты. Передняя грань (на рис. 2 зачернена) - входное зеркало АЭ вместе со сферическим зеркалом 7, имеющим коэффициент пропускания Т = 0.01 и радиус R = 5 см, образуют резонатор лазера. В резонатор лазера помещался пассивный затвор б, выполненный на кристалле YAG:Cr4+, просветленный на длине волны 1.06 мкм и имеющий коэффициент пропускания Т — 0.9 при малых интенсивностях падающего на него излучения. Толщина затвора 6 равнялась 1 мм. Концентрация ионов неодима в АЭ составляла 2.0 • Ю20 см-3. Толщина АЭ равнялась 1.5 мм. За один проход в этом АЭ поглощалось 80% излучения накачки. Форма и временные параметры лазерных импульсов генерации измерялись с помощью малошу-мящего широкополосного фотоприёмника 8 и осциллографа 9. В качестве измерителя мощности 10 использовался Coherent FieldMaster FM с измерительной головкой LM10.
Пороговый ток It накачки ТТЛ был равен 0.77 А, а соответствующая ему пороговая оптическая мощность Pt накачки составляла 0.74 Вт. Энергия и длительность импульсов генерации ТТЛ составляли 3.5 мкДж и И не, соответственно.
На рис. 3 показана зависимость времени То задержки импульса генерации лазера относительно переднего фронта импульса накачки от In ( —-- ]. Тангенс угла наклона
V хР - 1 )
прямой, аппроксимирующей экспериментальные точки, равен радиационному времени г жизни верхнего лазерного уровня АЭ в резонаторе ТТЛ. Полученное из данных рис. 3 значение г составляет 114 мке, что меньше времени г = 230 мке [2], измеренного
Рис. 3. Зависимость времени Т0 задержки импульса генерации лазера относительно переднего фронта импульса накачки от In ^ р ^ .
по стандартной методике для АЭ, находящегося вне резонатора. Уменьшение радиационного времени г для АЭ в резонаторе связано с усилением последним спонтанного излучения, в результате чего радиационное время жизни верхнего лазерного уровня АЭ уменьшается.
Таким образом, радиационное время жизни верхнего лазерного уровня АЭ может существенно уменьшаться, если АЭ находится в резонаторе ТТЛ, что необходимо учитывать при оптимизации параметров последнего. Измерять радиационное время АЭ в резонаторе ТТЛ с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности можно по времени задержки импульса генерации ТТЛ относительно переднего фронта импульса накачки лазера.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J. J. Degnan, IEEE Journal of Quantum Electronics 11, 1890 (1995).
[2] M. И. Беловолов, С. И. Державин, Д. А. Машковский и др., Квантовая электроника 8, 753 (2007).
Научный центр волоконной оптики
Российской академии наук (НЦВО РАН) Поступила в редакцию 8 июля 2008 г.
