CC BY
110
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
ISSN 1994-0408
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 128-136.
DOI: 10.7463/0815.9328000
Представлена в редакцию: ##.##.2014 Исправлена: ##.##.2014
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 621.373.826
2+
Непрерывный твердотельный Сг :CdSe лазер среднего ИК-диапазона с накачкой линейкой лазерных диодов
*
Тарабрин М. К., Лазарев В. А., Ковтун А. А., Леонов С. О., Карасик В. Е., Подмарьков Ю. П., Фролов М. П., Киреев А. Н., Губин М. А.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Московский физико-технический институт, Москва, Россия
НИЯУ МИФИ, Москва, Россия
В данной работе сообщается о непрерывной лазерной генерации в среднем ИК-диапазоне на кристалле Сг24 :CdSe с линейкой лазерных диодов в качестве источника накачки. Проведен анализ существующих твердотельных лазеров среднего ИК-диапазона, отмечена актуальность создания лазера на кристалле :CdSe с диодной накачкой. Представлены основные данные о способе изготовления кристалла Cr2+:CdSe, приведены его основные характеристики. Описан источник накачки на основе линейки лазерных диодов. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения выходных характеристик лазера. Проведена оптимизация схемы лазера за счет использования набора фокусирующих линз и выходных сферических зеркал. Представлены характеристики лазера при оптимальных параметрах фокусирующей линзы и выходного сферического зеркала.
Ключевые слова: твердотельный лазер, средний ИК-диапазон, линейка лазерных диодов, кристалл Cr2+:CdSe
Введение
Лазеры среднего ИК-диапазона на основе широкополосных твердотельных активных сред представляют большой интерес для обширного круга научных и практических задач. Перспективными областями применения таких лазеров являются дистанционное зондирование атмосферы, спектроскопия высокого разрешения [1-3] и высокочувствительные методы спектрального анализа [4, 5].
2+
Кристаллы халькогенидов группы А2В6, легированные ионами Сг , интенсивно исследуются с целью разработки на их основе перестраиваемых лазеров среднего ИК-
диапазона (2-5 мкм) [6-8]. В настоящее время получена непрерывная генерация на этих
^ 2+
кристаллах как с накачкой волоконными лазерами (Сг :ZnSe [9], Cr :CdSe [10, 11], и
Cr2+:CdS [12] - с накачкой тулиевым волоконным лазером и Cr2+:ZnS [13] - с накачкой эр-биевым волоконным лазером), так и с 1пР лазерным диодом (Сг :ZnSe и Cr ZnS [14]). Преимуществом использования в качестве источника накачки волоконных лазеров является качество пучка, характеризующееся высокой направленностью излучения. В то же время, когда необходимо получить компактную систему, которая при этом будет обладать высокими значениями выходной мощности и КПД, наиболее подходящим является вариант использования лазерных диодов.
В данной работе сообщается о непрерывной лазерной генерации на кристалле Сг :CdSe с линейкой лазерных диодов в качестве источника накачки, а также об оптимизации схемы лазера за счет использования набора фокусирующих линз и выходных сферических зеркал, приводятся характеристики лазера при оптимальных параметрах.
Экспериментальная установка
^ 2+ Схема установки, включающей лазер на кристалле Сг :CdSe и измеритель мощности, представлена на рисунке 1. Близкий к полуконцентрическому резонатор состоял из плоского и сферического зеркал. Плоское зеркало пропускало 96 % излучения накачки (длина волны 1940 нм) и имело близкое к 100 % отражение на длинах волн 2,4-3,4 мкм. В качестве источника накачки использовалась линейка лазерных диодов с длиной волны 1940 нм и максимальной выходной мощностью 3,5 Вт. Излучение линейки лазерных диодов проходило по волоконному световоду и преобразовывалось коллиматором в параллельный пучок, который затем фокусировался объективом в кристалл Сг :CdSe.
Выходное зеркало
( I' 1
Диодная
линейка ' Фокусирующий
1951нм Коллиматор объектив
Зеркала Измеритель мощности
Глухое зеркало
Сг2+:Сс18е кристалл
Фокусирующая линза
Рис. 1. Структурно-функциональная схема установки
Активный элемент (АЭ) лазера был изготовлен из монокристалла Сг :CdSe, выращенного из паровой фазы на монокристаллической затравке с использованием физическо-
го транспорта в гелии. Легирование проводилось непосредственно в процессе роста по технологии, разработанной для выращивания монокристаллов твердых растворов [15].
2+ 18 3
Концентрация ионов Сг , определенная из спектров поглощения, составляла 1,1х10 см- . Основные спектроскопические свойства кристалла приведены в табл.1, в которой представлены параметры сечения поглощения и излучения, длины волн максимума спектральной характеристики поглощения и излучения, а также их ширины.
Таблица 1. Спектроскопические характеристики кристалла Cr2+:CdSe [16]
Лю минесценция Поглощение
2 Олюм, см 2-10-18 2 Опог, см 1,94-10-18
Хлюм, нм 2650 Хпог, нм 1890
ДХлюм, нм 940 ДХпог, нм 440
2+
Спектральные характеристики поглощения и излучения кристалла Сг :CdSe приведены на рисунке 2. Исходя из спектра поглощения, был выбран источник накачки, представляющий собой линейку лазерных диодов с длиной волны излучения X = 1940 нм, находящейся вблизи максимума спектральной характеристики поглощения кристалла Сг :СёБе. Спектральная характеристика излучения линейки лазерных диодов приведена на рисунке 3.
Й о о к и к
о К <а н К
К
к я
!=Г
а
а> Я" о и И
К §
2 ч
к «
к и <и
В
о
о с
ч
а> !
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0
л л
\ /
/ \ / \
/ \
/Погл. 1/ Люм. V
V \
1 1 , А \
\
г \ \
) \
1000 1500
2000 2500 3000 Длина волны, нм
3500 4000
Рис. 2. Спектральная характеристика поглощения и люминесценции кристалла Cr2+:CdSe [16]
и 0> V
ц
со К Л
н о о и
и к о
м
<и н X
к
о
м
н о
1925 1930 1935 1940
Длина волны, нм
1945
1950
Рис.3 Спектр излучения линейки лазерных диодов
Активный элемент имел рабочую длину 4,9 мм, поперечные размеры 1,5*5 мм. Рабочие поверхности кристалла не просветлялись, но были качественно отполированы и с хорошей точностью параллельны (клиновидность менее 30"). С целью минимизации потерь, обусловленных френелевским отражением излучения на гранях кристалла, кристалл устанавливался таким образом, чтобы его рабочие поверхности были перпендикулярны оптической оси резонатора.
Рис. 4. Зависимость времени жизни верхнего лазерного уровня Сг2* в матрице CdSe от температуры
кристалла [16]
Зависимость времени жизни верхнего лазерного уровня Сг кристалла Cr:CdSe от его температуры представлена на рисунке 4. При комнатной температуре время жизни данного кристалла падает на ~20-30% по сравнению с диапазоном низких температур 77150 К. Время жизни Сг2+ кристалла при переходе 5Е ^5Т2 составляет ~ 6 мкс в температурном интервале от 75 до 200 К. От времени жизни напрямую зависит пороговое значение накачки и инверсия населённости верхнего лазерного уровня. В настоящей работе температура кристалла поддерживалась на уровне 11°С за счет водяного охлаждения.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На описанной установке реализован непрерывный режим генерации Сг ;СёБе лазера. В ходе эксперимента осуществлялась оптимизация пятна фокусировки излучения накачки путем использования объективов с различными фокусными расстояниями (20, 30, 35 и 40 мм) и изменение диаметра перетяжки генерируемого пучка лазерного излучения путем использования выходных зеркал резонатора с различными радиусами (50; 75 и 100 мм) и коэффициентом пропускания Кпрп = 2,7 % с целью определения КПД и пороговой мощности накачки. Результаты исследования приведены в табл.2.
Таблица 2. Значения КПД лазера в зависимости от радиуса кривизны зеркала резонатора и фокусного расстояния линзы накачки
Фокусное расстояние линзы накачки Гнак, мм Радиус сферического зеркала резонатора Ярез, мм КПД, %
30 100 10,6
35 100 9,1
20 100 8,8
25 75 8,3
25 100 8,0
30 50 7,9
30 75 7,8
20 75 7,7
25 50 6,8
35 75 6,4
20 50 6,2
35 50 6,0
40 50 4,8
40 100 4,5
40 75 2,2
В ходе работы проведены расчеты диаметра перетяжки, формируемой резонатором, близким к полуконцентрическому. На основании полученных данных выбрано оптималь-
ное сочетание параметров, варьируемых в ходе эксперимента: радиус выходного зеркала R = 100 мм; фокусное расстояние объектива £ = 30 мм. График зависимости мощности генерируемого излучения Рвых от мощности излучения накачки Рнак, вошедшей в кристалл, для этого случая представлен на рисунке 5.
н PQ 2
И
<D
СО
S
I
л
pa £
о о к
В о
300 250 200 150 100 50 0
Г|=1( ),6%
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Мощность излучения накачки Рнак, мВт
Рис.5. Зависимость мощности генерируемого лазерного излучения от мощности излучения накачки
Максимальное значение Рвых = 0,251 Вт было получено с выходным зеркалом R = 100 мм, Кпрп = 2,7% при Рнак = 3,97 Вт. При этом пороговая мощность накачки Рпор составила 0,5 Вт, а КПД был равен 10,6 %.
Заключение
Создан непрерывный твердотельный Сг : CdSe лазер среднего ИК-диапазона, на котором впервые получена непрерывная генерация при комнатной температуре с накачкой линейкой лазерных диодов. Произведена оптимизация схемы по параметрам фокусировки накачки и радиуса выходного зеркала, средняя мощность составила 251 мВт при КПД 10,6 % и пороговой мощности накачки 0,5 Вт.
Список литературы
1. K. Vodopyanov Mid-infrared optical parametric generator with extra-wide (3-19-цш) tunability: applications for spectroscopy of two-dimensional electrons in quantum wells // J. Opt. Soc. Am. B 16, 1579-1586 (1999).
2. М.А. Губин, А.Н. Киреев, В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, В.А. Лазарев, А.Б. Пнев, Ю.П. Подмарьков, Д.А. Тюриков, М.П. Фролов, А.С. Шелковников Наблюдение
^ 2+
резонансов насыщенной дисперсии метана в двухмодовом Cr ZnSe/CH4 -лазере // Квант. электроника, 2012, 42 (7), 565-566.
3. М.А. Губин, А.Н. Киреев, В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, А.Б. Пнев, Ю.П. Подмарьков, Д.А. Тюриков, М.П. Фролов, Д.А. Шелестов, А.С. Шелковников Перестраиваемый двухмодовый Cr2+:ZnSe-лазер со спектральной плотностью частотных шумов 0,03 Гц/Гц/ // Квант. электроника, 2012, 42 (6), 509-513.
4. В.А.Акимов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов. "Спектральная динамика внутрирезонаторного поглощения в импульсном Cr2+:ZnSe-лазере". Квантовая электроника, т.35, №5, 425-428 (2005).
5. В.А.Акимов, А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов. "Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Fe2+:ZnSe-лазера". Квантовая электроника, т.37, №11, 1071-1075 (2007).
6. Jason McKay, Kenneth L. Schepler, and Gary C. Catella Efficient grating-tuned mid-infrared Cr2+:CdSe laser// Opt. Lett. 24, 1575-1577 (1999).
7. Sorokina I.T. Cr -doped II-VI materials for lasers and nonlinear optics // Optical Materials Volume 26, Issue 4, September 2004, Pages 395-412.
8. Page, R.H.; Schaffers, K.I.; DeLoach, Laura D.; Wilke, G.D.; Patel, F.D.; Tassano,
2+
J.B., Jr.; Payne, S.A.; Krupke, William F.; Chen, K.-T.; Burger, A. Cr -doped zinc chalcogenides as efficient, widely tunable mid-infrared lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics , 33(4), 609-619, 1997.
2+
9. P. Berry and K. Schepler High-power, widely-tunable Cr :ZnSe master oscillator power amplifier systems // Opt. Express 18, 15062-15072 (2010).
10. Акимов В.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В, Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Скасырский Я.К., Фролов М.П. Эффективная генерация Cr ^dSe-лазера в непрерывном режиме //. Квантовая электроника, 37 (11), 991-992 (2007).
11. V.I. Kozlovsky, V.A. Akimov, M.P. Frolov, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, V.P. Martovitsky, V.V. Mislavskii, Yu.P. Podmar'kov, Ya.K. Skasyrsky, A.A. Voronov Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II-VI compound crystals grown from vapor phase // Phys. Status Solidi B 247, 1553, 2010.
12. В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, А.И. Ландман, Ю.П. Подмарьков, Я.К. Ска-сырский, М.П. Фролов Непрерывный Cr ^dS-лазер // Квант. электроника, 40(1), 7-10, 2010.
13. I. Moskalev, V. Fedorov, and S. Mirov 10-Watt, pure continuous-wave, polycrystal-line Cr2+:ZnS laser // Opt. Express 17, 2048-2056 (2009).
14. Igor S. Moskalev ; Vladimir V. Fedorov ; Sergey B. Mirov // InP diode-pumped Cr:ZnS and Cr:ZnSe highly efficient, widely tunable, mid-IR lasers Proc. SPIE 7578, Solid State Lasers XIX: Technology and Devices, 75781K (February 17, 2010).
15. V.A.Akimov, M.P.Frolov, Yu.V.Korostelin, V.I. Kozlovsky, A.I. Landman, Yu.P.Podmar'kov, A.A.Voronov, "Vapour growth of II-VI single crystals doped by transition metals for mid-infrared lasers", phys. stat. sol. (c) 3, No.4, 1213-1216 (2006). DOI: 10.1002/pssc.200564723.
16. Mirov S., Fedorov V., Moskalev I., Mirov M., Martyshkin D. Frontiers of mid-infrared lasers based on transition metal doped II-VI semiconductors // Journal of Luminescence, 133, 268-275, 2011.
ScienceÄEducation
of the Bauman MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 12, pp. 128-136.
DOI: 10.7463/0815.9328000
Received: ##.##.2014
Revised: ##.##.2014
© Bauman Moscow State Technical Unversity
CW Solid-State Mid-IR Cr2+:CdSe Laser with Diode Array Pumping
*
Tarabrin M.K., Lazarev V.A., A.A. Kovtun, S.O. Leonov, Karasik V. E., Yu.P. Podmarkov, M.P. Frolov, A.N. Kireev, M.A. Gubin
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Moscow Institute of Physics and Technology State University, Moscow,
Russia
National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia
Keywords: solid-state laser, mid-IR region, diode array, Cr2+:CdSe crystal
The paper considers the relevant use of broadband mid-IR laser sources. It presents data on the currently existing continuous wave lasers based on chalcogenide crystals doped with transition metal ions with fiber lasers and InP laser diode pumping. It is noted that existing CW mid-IR solid-state Cr :CdSe lasers with fiber lasers as a pump source has disadvantages such as the scaled-up size of the system, low values of efficiency and output power. To make up these shortcomings Cr :CdSe laser pumped by laser diode array is developed. A structural-functional dia-
2+
gram of the experimental setup, which consists of Cr :CdSe laser and power meter is shown. The description of the basic parameters of the Cr :CdSe crystal, its spectral characteristics of the absorption and luminescence, and the temperature dependence of the upper level lifetime are given. The necessity of crystal cooling to increase the output power of the laser radiation is supported. The spectral characteristic of the laser diode array is given, it corresponds to the absorption spectrum of the Cr :CdSe crystal. Laser output energy characteristics with different combinations of focusing lenses and spherical output couplers have been studied. Laser efficiency is obtained for the each case. On the basis of the scheme optimization the best configuration was selected (lens focal length - 30 mm, radius of output coupler curvature - 100 mm), which yielded the efficiency of 10.6%, the output power of 0.251 W, and the threshold pump power of 0.5 watts.
References
1. K. Vodopyanov Mid-infrared optical parametric generator with extra-wide (3-19-p.m) tunability: applications for spectroscopy of two-dimensional electrons in quantum wells // J. Opt. Soc. Am. B 16, 1579-1586 (1999).
2. M A Gubin, A N Kireev, V I Kozlovsky, Yu V Korostelin, V A Lazarev, A B Pnev, Yu P Podmar'kov, D A Tyurikov, M P Frolov, A S Shelkovnikov Observation of saturated dispersion resonances of methane in a two-mode Cr2+:ZnSe/CH4 laser // Quantum Electronics, 2012, 42 (7), 565-566.
3. M.A. Gubin, A.N. Kireev, V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, A.B. Pnev, Yu.P. Podmar'kov, D.A. Tyurikov, M.P. Frolov, D.A. Shelestov, A.S. Shelkovnikov Tunable two-mode Cr2+:ZnSe laser with a frequency-noise spectral density of 0.03 Hz/Hz-1/2 // Quantum Electronics, 2012, 42 (6), 509-513.
4. V.A. Akimov, V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, Yu.P. Podmar'kov, M.P. Frolov Spectral dynamics of intracavity absorption in a pulsed Cr2+:ZnSe laser // Quantum Electronics, 2005, 35 (5), 425-428.
5. V.A. Akimov, A.A. Voronov, V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, Yu.P. Podmar'kov, M.P. Frolov Intracavity laser spectroscopy by using a Fe2+:ZnSe laser // Quantum Electronics, 2007, 37 (11), 1071-1075.
6. Jason McKay, Kenneth L. Schepler, and Gary C. Catella Efficient grating-tuned mid-infrared Cr2+:CdSe laser// Opt. Lett. 24, 1575-1577 (1999).
7. Sorokina I.T. Cr2+-doped II-VI materials for lasers and nonlinear optics // Optical Materials Volume 26, Issue 4, September 2004, Pages 395-412.
8. Page, R.H.; Schaffers, K.I.; DeLoach, Laura D.; Wilke, G.D.; Patel, F.D.; Tassano, J.B., Jr.; Payne, S.A.; Krupke, William F.; Chen, K.-T.; Burger, A. Cr2+-doped zinc chalcogenides as efficient, widely tunable mid-infrared lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics , 33(4), 609-619, 1997.
9. P. Berry and K. Schepler High-power, widely-tunable Cr2+:ZnSe master oscillator power amplifier systems // Opt. Express 18, 15062-15072 (2010).
10. V.A. Akimov, V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, Yu.P. Podmar'kov, Ya.K. Skasyrsky, M.P. Frolov Efficient cw lasing in a Cr2+:CdSe crystal // Quantum Electronics, 2007, 37 (11), 991-992.
11. V.I. Kozlovsky, V.A. Akimov, M.P. Frolov, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, V.P. Martovitsky, V.V. Mislavskii, Yu.P. Podmar'kov, Ya.K. Skasyrsky, A.A. Voronov Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II-VI compound crystals grown from vapor phase // Phys. Status Solidi B 247, 1553, 2010.
12. V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, A.I. Landman, Yu.P. Podmar'kov, Ya.K. Skasyrsky, M.P. Frolov Continuous-wave Cr2+:CdS laser // Quantum Electronics, 2010, 40 (1), 7-10.
13. I. Moskalev, V. Fedorov, and S. Mirov 10-Watt, pure continuous-wave, polycrystalline Cr2+:ZnS laser // Opt. Express 17, 2048-2056 (2009).
14. Igor S. Moskalev ; Vladimir V. Fedorov ; Sergey B. Mirov // InP diode-pumped Cr:ZnS and Cr:ZnSe highly efficient, widely tunable, mid-IR lasers Proc. SPIE 7578, Solid State Lasers XIX: Technology and Devices, 75781K (February 17, 2010).
15. V.A.Akimov, M.P.Frolov, Yu.V.Korostelin, V.I. Kozlovsky, A.I. Landman, Yu.P.Podmar'kov, A.A.Voronov, "Vapour growth of II-VI single crystals doped by transition metals for mid-infrared lasers", phys. stat. sol. (c) 3, No.4, 1213-1216 (2006). DOI: 10.1002/pssc.200564723.
16. Mirov S., Fedorov V., Moskalev I., Mirov M., Martyshkin D. Frontiers of mid-infrared lasers based on transition metal doped II-VI semiconductors // Journal of Luminescence, 133, 268-275, 2011.
