Малошумящие твердотельные лазеры с диодной накачкой видимого диапазона спектра Текст научной статьи по специальности «Физика»

Малошумящие твердотельные лазеры с диодной накачкой видимого диапазона спектра.

Куратев И.И., Цветков Ю.В., Иолтуховский А.А., Алексахин А.Н., Шкарубо А.С. (ik@lcompact.msk.ru)

ООО НПФ "Лазер-компакт".

В ряде областей применения лазерной техники предъявляются высокие требования к уровню оптических шумов в излучении лазера. Иными словами, важной характеристикой является отсутствие быстрых флуктуаций интенсивности выходного излучения по времени. Особый интерес у потребителей, использующих лазеры в производимом ими оборудовании, вызывают малошумящие приборы со спектром излучения, лежащим в видимой области. К подобному оборудованию можно отнести различные виды метрологических устройств, в том числе работающих на интерферометрических принципах; системы записи и воспроизведения информации; устройства осуществляющие сканирование или растрирование луча, например с целью создания изображений в лазерных дисплеях или в печатающих устройствах.

В некоторых типах такого оборудования используются полупроводниковые лазерные диоды и широко представленные на рынке газовые лазеры, но их применение ограничено. Для лазерных диодов характерна низкая когерентность излучения и недостаточная выходная мощность. К тому же отсутствуют диоды, излучающие в области спектра 450 - 550 нм. Существующие коротковолновые диоды видимого диапазона излучают на длинах волн 400 - 420 нм. Недостатками газовых лазеров являются большие габариты, высокое энергопотребление и тепловыделение.

Естественно, что в этой ситуации внимание разработчиков обращается к твердотельным лазерам с накачкой лазерными диодами, для которых характерны малые габариты, высокий КПД и хорошая когерентность излучения. На рынке уже предлагается большое количество излучающих в зеленой области спектра малошумящих моделей, в том числе и работающих в режиме генерации одной продольной моды. Но применяемость предлагаемых лазеров такого типа ограничена тем, что реально надежно работающие приборы стоят слишком дорого, и не каждая фирма способна производить их в требуемых количествах. И конечно, по-прежнему остаются редко встречающейся экзотикой синие лазеры с низким уровнем шумов.

Научно-производственная фирма «Лазер-компакт» на протяжении всего времени своего существования не оставляет без внимания проблему создания малошумящих лазеров видимого диапазона. Обеспечить отсутствие медленных изменений средней мощности излучения лазера относительно несложно при помощи термостабилизации резонатора и введения обратной связи, которая поддерживает выходную мощность на постоянном уровне посредством изменения мощности накачки, а вот избавиться от быстрых флуктуаций гораздо сложнее. Колебания интенсивности излучения на частотах выше 1 кГц не могут быть устранены такими способами. При использовании внутрирезонаторного преобразования во вторую гармонику в линейном резонаторе твердотельного лазера главной причиной возникновения шумов является конкуренция продольных мод. Причинами возникновения этого процесса являются, с одной стороны, эффект "выгорания дыр" в инверсной населенности по длине активного элемента, что вызывает снижение коэффициента усиления для вышедшей в генерацию продольной моды резонатора. С другой стороны, потери на преобразование во вторую гармонику снижают добротность резонатора для генерирующей моды. Эти процессы

позволяют выходить в генерацию другим модам. Колебания мощности, вызванные конкуренцией мод, не могут быть скомпенсированы изменением накачки, так как характерные времена для них короче времени жизни люминесценции в активной среде. Типичная осциллограмма шумов лазера на активном элементе из кристалла YVO4:Nd3+ с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники на кристалле КТP (KTiPO4) представлена на рис. 1.

IV Юиз

Рис. 1. Осциллограмма шумов многомодового режима.

В генерацию выходит 5-7 продольных мод (см. спектр излучения лазера на рис.2), конкуренция между которыми и обуславливает возникновение шумов с уровнем 20-30% RMS (среднеквадратичное отклонение).

Интенсивность, отн. ед.

Рис. 2. Спектр многомодового режима.

Были опробованы различные способы снижения шумов. Одним из способов является создание условий, при которых в генерацию могло бы выходить очень большое количество продольных мод резонатора. Однако, для организации такого режима необходимо использовать длинный резонатор, что требует увеличения габаритов лазера. Кроме того, многомодовый режим работы для многих применений оказывается непригодным. Поэтому, наибольший интерес представляет устранение конкуренции продольных мод путем создания условий для генерирования только одной из них, то есть путем построения одночастотного лазера. В этом направлении было

проведено много экспериментов. Были опробованы различные типы селекторов продольных мод, в том числе поглощающая металлическая пленка, вносимая в резонатор, которая позволяет существовать только той продольной моде резонатора, узел стоячей волны которой попадает на эту пленку. Пробовались различные схемы с преобразователем частоты, помещенным в линейный или кольцевой внешний резонатор, что позволяло устранить дестабилизирующий фактор, связанный с динамическими потерями, вносимыми процессом генерирования второй гармоники в основном резонаторе. И, конечно, предпринимались попытки создать очень короткий резонатор ("чип"). Все эти схемы не позволяли получить надежный и повторяемый результат. Только в результате последних проведенных исследований удалось построить схему резонатора с фазово-поляризационным селектором и создать лазер, устойчиво работающий в малошумящем режиме.

Схема резонатора приведена на рис.3.

1 2 3 4 5

Рис.3. Схема резонатора.

Цифрами обозначены элементы:

1 - заднее зеркало (зеркало, через которое осуществляется накачка);

2 - активный элемент из УУ04;

3 - поляризатор;

4 - нелинейный элемент;

5 - выходное зеркало;

Активный элемент, ванадат иттрия, легированный ионами неодима, является одноосным кристаллом. Кристалл вырезан так, чтобы изучение распространялось вдоль одной из осей, перпендикулярно к главной оптической оси. Наибольшим сечением генерации обладает а-поляризация, когда волна поляризована вдоль главной оптической оси. Поляризатор установлен так, что а-поляризация проходит через него без потерь. В качестве поляризатора используется пластинка из стекла, установленная под углом Брюстера. Коэффициенты отражения и пропускания для поляризации, перпендикулярной плоскости угла Брюстера:

Я (п2 -1)2 т = 4п2

К1 (п2 +1)2 1 (п2 +1)2

Отражение происходит от обеих граней пластинки, поэтому суммарный коэффициент отражения будет:

Яс = Р^+РаТ.

Отношение отраженной энергии к падающей будет:

1отр/1пад=Кс*100%

Поляризатор изготовлен из стекла марки К8, п=1.52.

Яс=0.29;

Таким образом, для перпендикулярной поляризации будут вноситься потери

Рассмотрим прохождение нескольких продольных мод через нелинейный элемент. В нашем резонаторе элемент установлен так, что его оси направлены под углом 45°. В двулучепреломляющем кристалле распространяются две волны, быстрая и медленная. Медленная волна поляризована в плоскости оси 2, перпендикулярно направлению распространения, быстрая волна поляризована в плоскости ХУ. Показатель преломления для медленной волны будет п^ а для быстрой волны он будет немного отличаться от пу, так как угол синхронизма в КТР составляет 23.5° к оси Х и 90° к оси 2. Вычислим этот показатель преломления из уравнения Френеля.

sin 2(0) • ^2(Ф) sin 2(0) • sin 2(ф) ^2(0)

п

- 2

п

- 2

+

-2

п,

-2

+

-2

п.

-2

= 0 ф=23.5° 0=90°

=

пхпу

/пхС^ (Ф) + пу^п (Ф)

За счёт дисперсии набег фаз между этими двумя волнами будет

Аф = 2пЬ(п -nf) = 2пЬДп X X

Набег фаз для разных мод будет разный. Используя уравнения Сельмейера, вычислим разницу набегов фаз для нескольких продольных мод.

п2 = Ai + Б- i=x, У, ^

X — С:

Показатель преломления А В С Б

пх 3.0067 0.0395 0.04251 0.01247

пу 3.0319 0.04152 0.04586 0.01337

3.3134 0.05694 0.05941 0.016713

Таблица 1. Коэффициенты Сельмейера для КТР.

Если для одной из мод резонатора набег фаз в КТР за два прохода будет нулевой, то на поляризаторе для такой моды потерь вноситься не будет. Для соседних мод после прохода по нелинейному элементу поляризация основной гармоники будет уже эллиптичной, и на поляризаторе будут вноситься потери. "Настройка" КТР для обеспечения нулевого набега фаз для моды осуществляется с помощью термостабилизации элемента.

Набег фаз меняется с изменением температуры нелинейного элемента:

Аф(АТ) = йАп дп

ёАф(Т) dT

йп,-

АТ =

2п

т

Г йь

йАп

Л

АТ •Ап +-АТ • Ь

йТ йТ

где

йТ йЬ

йТ

а

йТ йТ • Ь

изменение показателей преломления от температуры

ас - коэффициент температурного расширения в

направлении распространения излучения.

С помощью подстройки температуры всегда можно настроить нелинейный элемент на какую-либо моду резонатора.

Отношение осей эллипса поляризации электрического поля, при условии падения на двулучепреломляющий кристалл линейной поляризации, зависит от набега фаз между быстрой и медленной волнами в нелинейном элементе следующим образом:

Ь , Дф ч

- =

a 2

Потери для такой моды будут:

-°тр = Я0 • Ь2 = Я0 • sin2(дф) Дф - набег фаз за два прохода по

^0 2 нелинейному элементу.

Оптическая длина резонатора составляет около 20 мм, расстояние между соседними модами такого резонатора будет приблизительно 0.3 А.

На компьютере были проведены численные расчёты для нескольких мод. Результаты в таблице 1.

Длина волны Набег фаз за двойной проход, ° Эллиптичность Потери

1.06408 -44.25 0.4 4.1%

1.06411 -35.4 0.32 2.7%

1.06414 -26.5 0.24 1.5%

1.06417 -17.7 0.16 0.7%

1.06420 -8.85 0.08 0.2%

1.06423 0 0 0

1.06426 8.85 0.08 0.2%

1.06429 17.7 0.16 0.7%

1.06432 26.5 0.24 1.5%

1.06435 35.4 0.32 2.7%

Таблица 2. Результаты расчётов.

Было также рассчитано, что для перестройки селектора на соседнюю моду нужно изменить температуру нелинейного элемента на ~0.5 градуса.

С помощью этого селектора удалось получить режим генерации одной продольной моды. Спектр излучения представлен на рис. 4. Ширина линии на рис. 4 определяется разрешающей способностью спектрометра. Предполагается, что реальная ширина линии намного меньше.

Интенсивность, отн. ед.

20000

15 ООО

юооо

5 ООО □

532.1 532.15 532.2 532.25 532.3 ДлИНа ВОЛНЫ, НМ

Рис.4.Спектр одномодового режима.

Подстройкой температуры можно настроить селектор на другую моду резонатора (см. рис.5).

Интенсивность, отн. ед.

Рис. 5. Перестроенный спектр одномодового режима.

Такой подстройкой удается "проходить" довольно большое число продольных мод. На рис. 6 показан сводный спектр. Это не картина излучения лазера в какой-то момент времени, а просто сведенные на одном рисунке спектры, полученные при перестройке температуры нелинейного элемента. Видно, что, перестраивая наш селектор, удается вывести в генерацию одну за другой десять продольных мод резонатора. Для обеспечения надежной работы лазера на одной моде приходится стабилизировать температуру нелинейного элемента, с точностью 0.1 °С, но с этой задачей электроника успешно справляется.

Интенсивность, отн. ед.

20000—г

532.1 532.15 532.2 532.25 532.3 ДлИНа ВОЛНЫ, НМ

Рис. 6. Сведенный спектр нескольких одночастотных режимов.

Осциллограммы оптических шумов такого режима генерации представлены на рис. 7 и рис. 8. На рис. 7 осциллограмму снимали при открытом входе осциллографа, а на рис. 8 показана переменная составляющая сигнала при большей чувствительности осциллографа.

Рис. 7. Осциллограмма излучения (шкала осциллографа - 1 вольт на деление). 10ппУ 1 гт

Рис. 8. Осциллограмма излучения (шкала осциллографа - 10 милливольт на деление).

Видно, что оптические шумы излучения составляют десятые доли процента, а не 20-30 процентов, как в случае многомодового режима.

Проведенная работа позволила не просто наблюдать эффект, но и создать новую модель лазера, устойчиво работающую в малошумящем режиме. Фирмой "Лазер-Компакт" начато серийное производство таких лазеров. Модель называется ЬСМ-ЯОБ-011ЬК и имеет выходную мощность 50 мВт. Внешний вид лазера можно увидеть на рис. 9.

Рис. 9 Внешний вид лазера.

На рисунке показан излучатель (справа) и блок питания (12В).

Кроме зеленого лазера существуют модели малошумящих лазеров, излучающих на длинах волн 473 нм (синий) и 670 нм (красный). Механизмы получения малошумящего режима в этих лазерах отличаются от описанного выше в силу того, что там используются другие активные среды и другие нелинейные элементы. В частности, в генерацию могут выходить несколько продольных мод, но, тем не менее, уровень оптических шумов излучения не превышает 1%.

В настоящее время готовятся к производству новые модели малошумящих лазеров видимого диапазона спектра с уменьшенными габаритами, ориентированные на использование в качестве комплектующих изделий в оборудовании заказчика.