CC BY
191
УДК 621.3.038.825.2
НЕПРЕРЫВНЫЙ Yb:YAG ЛАЗЕР ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
12 2 2 Ивашко А.М. , Кисель В.Э. , Ясюкевич А.С. , Кулешов Н.В.
:ОАО «Пеленг», г. Минск, Республика Беларусь, 2НИЦ оптических материалов и технологий БНТУ, г. Минск, Республика Беларусь,
e-mail: VEKisel@bntu.by
Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования генерационных характеристик лазера с продольной непрерывной диодной накачкой на кристалле Yb:Y3Äl5O12 (YAG) для портативных измерительных систем, работающих в полевых условиях. Проведена оптимизация параметров элементной базы лазера с точки зрения его работы в диапазоне температур от -40 °С до +65 °С без применения принудительной термостабилизации системы. При использовании в качестве активного элемента кристалла Yb(10 ат.%): YAG длиной 3 мм получена выходная мощность излучения более 2 Вт в исследованном температурном диапазоне.
Ключевые слова: лазер, иттербий, продольная диодная накачка, температурный диапазон.
Введение
Разработка и изготовление лазеров, работающих в режиме непрерывной генерации с выходной мощностью в несколько ватт в спектральной области около 1 мкм, является тривиальной задачей, если лазерная система работает в условиях незначительного колебания температур. Однако, при создании лазерной системы, эксплуатирующейся в условиях широкого разброса температур окружающей среды (до 100 °С), возникает ряд проблем как с работоспособностью системы, так и со стабильностью ее характеристик. Основным способом решения данной проблемы является принудительная термостабилизация всего объема лазерной системы либо отдельных, наиболее ответственных, компонентов, таких как активная среда и/или источник накачки. Соответственно, возрастают сложность системы, ее энергопотребление, а также габаритные размеры, масса и время выхода системы на рабочий режим, что в некоторых случаях является недопустимым.
Наиболее распространенными активными средами для лазеров спектрального диапазона около 1 мкм являются Nd3+-содержащие материалы. Получение лазерной генерации в данных средах происходит по четырехуровневой схеме, и, как следствие, они характеризуются низкими порогами генерации и достаточно вы-
сокой эффективностью [1, 2]. Однако при использовании селективных источников накачки (лазерных диодов) данные материалы имеют существенный недостаток, ограничивающий возможность их применения, - это узкие полосы поглощения ионов Nd3+ [1, 2]. Так, в кристалле Nd3+:Y3Al5Oi2 (YAG) полоса поглощения с максимумом в области 808 нм (переход 4I9/2 ^4F5/2+2H9/2) имеет полуширину всего 2,5 нм [1]. Спектр излучения лазерных диодов достаточно узкий (полуширина 2-5 нм) и его положение имеет температурную зависимость с коэффициентом 0,25-0,35 нм/°С, что приводит к сильной деградации выходных характеристик лазера при изменении температуры источника накачки на несколько градусов [3-7].
Альтернативой №3+-содержащим средам для получения генерации в области около 1 мкм являются материалы, легированные ионами Yb3+. Ионы Yb3+ (электронная конфигурация 4f13) обладают одним возбужденным состоянием 2F5/2 с энергией порядка 104 см-1, что хорошо подходит для использования в качестве источников накачки коммерчески доступных лазерных диодов на основе InGaAs, излучающих в области 915-980 нм. Структура уровней ионов Yb3+ исключает поглощение из возбужденного состояния 2F5/2, поскольку уровни ближайшей электронной конфигурации лежат в области выше 105 см-1. Более сильное
электрон-фононное взаимодействие по сравнению с другими редкоземельными ионами приводит к значительному однородному ушире-нию линий в спектрах поглощения и люминесценции.
Основным недостатком Yb3+-лазеров является работа по квазитрехуровневой схеме, что приводит к более высоким порогам генерации по сравнению с №3+-лазерами. Однако этот недостаток становится незначительным при использовании источников накачки, обладающих высокой яркостью излучения, например, лазерных диодов.
В данной работе предложен метод создания лазера для спектральной области около 1 мкм с продольной непрерывной диодной накачкой, работающего в широком температурном диапазоне без принудительной термостабилизации. В качестве активного элемента выбран кристалл Yb(10 ат.%):YAG.
Проведено математическое моделирование и экспериментальное исследование работы Yb:YAG лазера в температурном диапазоне от -40 °С до +65°С.
Лазер предназначен для применения в портативных измерительных системах, работающих в полевых условиях.
Теоретическая часть
^=Щ, - kL )ф,;
dt n
= фpkp-фк -
N
dt ' ' х
к, =v'emN 2 -G^a;
к =аp N -ap N •
kp G abN 2 uemJY1'
N = N + N;
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Здесь величины, относящиеся к излучению генерации и накачки, будем обозначать индексами I и р, соответственно; Фх = 1Х/(^Х) - плотности потока фотонов на частоте генерации (х = I) и накачки (х = р) в активном элементе; с - скорость света в вакууме; п - показатель преломления активного элемента; о ет - сече-
ние стимулированного испускания на длине волны генерации (x = I) и накачки (x = p), аналогично и для сечения поглощения G abs, N2 и
N1 - населенности верхнего и нижнего мульти-плетов; N - концентрация активных центров, ц - коэффициент заполнения резонатора; kL -коэффициент потерь.
Мощность на выходе лазера Pout рассчитывалась по формуле:
В качестве активной среды лазера использовался кристалл иттрий-алюминиевого граната, активированный трехвалентными ионами иттербия Yb3+. Активные среды на основе ионов Yb3+ обладают сравнительно небольшим квантовым дефектом, что позволяет создавать лазеры с высокой средней мощностью и высоким качеством светового пучка при достаточно высоких мощностях накачки [8-10]. Лазерные материалы, легированные ионами Yb3+, являются квазитрехуровневыми активными средами. В таких лазерных материалах термическое заселение подуровней как верхнего, так и нижнего лазерных уровней (мультиплетов) приводит к тому, что с излучением накачки и генерации взаимодействуют оба лазерных уровня. Эта особенность требует корректного учета при описании работы лазера.
Работа лазера на кристалле Yb:YAG при непрерывной диодной накачке анализировалась в рамках системы балансных уравнений для квазитрехуровневой среды:
^ = ^ ^ (1 - exp (- kpla Ж - РПС), (6)
Ур kL
где Ур - объем, который занимает излучение накачки в активном элементе; V] - объем пучка генерируемого излучения в активном элементе; Рпс - мощность излучения накачки на входе в активный элемент; - пороговая мощность
излучения накачки на входе в активный элемент. Время жизни иона Yb3+ на верхнем лазерном уровне, сечения поглощения и стимулированного испускания взяты из работ [11, 12].
Концентрация ионов Yb3+ в активной среде составляла 10 ат.%. Моделирование проводилось для постоянного значения падающей мощности накачки - 6 Вт.
На рисунке 1 приведены результаты численного моделирования работы лазера для значений пропускания выходного зеркала на длине волны генерации 3 %, 5 %, 10 % и 15 %.
Результат моделирования представлен в виде зависимости выходной мощности лазера от дли-
ны волны накачки (X) и длины активного элемен- минальной длиной волны 940 нм и температур-та (4). Диапазон длин волн накачки определялся ного сдвига его длины волны излучения в рабо-исходя из использования лазерного диода с но- чем температурном диапазоне лазера.
Рисунок 1 - Теоретическая зависимость мощности генерируемого излучения от длины волны накачки и длины активного элемента при различных коэффициентах пропускания выходного зеркала
Для всех выходных зеркал характер зависимости при фиксированном значении длины активного элемента качественно схож со спектром поглощения ионов УЬ3+ в алюмоиттриевом гранате (на рисунке 2 для примера приведены спектр поглощения кристалла УЬ (10 ат.%):УЛО и расчетная зависимость выходной мощности лазера с выходным зеркалом 5 % и длиной активного элемента 2,5 мм).
Выходная мощность лазера для зеркал с коэффициентами пропускания 3 %, 10 % и 15 % характеризуется более выраженной зависимостью от длины волны излучения накачки по
сравнению с выходной мощностью для зеркала с коэффициентом пропускания 5 %. И если в максимуме поглощения иона УЬ3+ вблизи 940 нм для всех четырех зеркал максимальная выходная мощность приблизительно одинакова и наблюдается для схожих длин активного элемента, то для минимумов поглощения иона УЬ3+ разница между зеркалом 5 % и остальными существенная. В минимумах поглощения иона УЬ3+ для зеркал 3 %, 10 % и 15 % максимум выходной мощности приходится на длину активного элемента около 2,5 мм, в то время как для зеркала 5 % максимальная мощность наблюдается для длины ак-
тивного элемента около 3-4 мм. Но даже для равных длин активного элемента в минимумах поглощения иона УЬ3+ выходная мощность для зеркала 5 % выше, чем для остальных зеркал.
\
\J /' \
-е-■в-
X, нм
Рисунок 2 - Качественное сравнение спектра поглощения УЬ:УЛО и теоретической зависимости мощности лазера с выходным зеркалом 5 % и длиной активного элемента 2,5 мм
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментальных исследований в климатической камере была собрана установка, схема которой приведена на рисунке 3.
Излучение лазерного диода накачки 1, подключенного к источнику питания 2, с помощью оптической системы 3 фокусировалось в активном элементе 5. В ход лучей накачки была вве-
дена пластина 4 для отведения части излучения через коллимирующую линзу 6 и делитель 7 на систему контроля излучения накачки, состоящую из насадки 8, соединенной через волокно со спектрометром 9 (для определения длины волны накачки), и детектора 10, подключенного к отсчетному устройству 11 (для определения падающей мощности накачки на активный элемент).
Генерируемое лазерное излучение регистрировалось измерительной головкой LM-10 12, подключенной к измерителю мощности LabMax-TOP Coherent 13.
Коэффициенты пропускания компонентов 4, 6 и 7 были известны и учтены при определении падающей на активный элемент мощности накачки. Фотодетектор 10 был предварительно откалиброван по чувствительности для всего исследуемого диапазона температур.
В качестве активного элемента 5 использовался кристалл Yb:YAG с концентрацией активных центров 10 ат.%.
Со стороны источника накачки использовалось зеркало с коэффициентом отражения около 100 % в диапазоне длин волн 1030-1050 нм и коэффициентом пропускания более 98 % для длин волн 910-960 нм.
В качестве источника накачки использовался лазерный диод с номинальной длиной волны 940 нм.
Рисунок 3 - Экспериментальная установка: 1 - лазерный диод; 2 - источник питания; 3 - система фокусировки; 4 - пластина; 5 - активный элемент; 6 - линза; 7 - делитель; 8 - насадка; 9 - спектрометр; 10 - детектор; 11 - отсчетное устройство; 12 - измерительная головка; 13 - измеритель мощности
Мощность излучения лазерного диода поддерживалась на одном уровне, обеспечивающем падающую на активный элемент мощность накачки в 6 Вт во всем температурном диапазоне путем автоматической подстройки тока источником питания. Обратную связь в данном случае обеспечивало отсчетное устройство 11, получающее сигнал с фотодетектора 10.
Измерение мощности лазера для каждой температуры проводилось через 5 с после подачи питания на лазерный диод (время переходных процессов для измерительной головки 12 с измерителем мощности 13 составляло приблизительно 4 с). Измерения проводились в температурном диапазоне от -40 °С до +65 °С.
Зависимость выходной мощности УЬУЛО лазера от длины волны излучения накачки (температуры окружающей среды) для активных элементов длиной 2,5 мм с коэффициентами пропускания выходного зеркала 3 %, 5 % и 10 % показана на рисунке 4, где также приведены теоретически полученные результаты для зеркала с коэффициентом пропускания 5 %.
915 920 925 930 935 940 945 950 955
к, НМ
Рисунок 4 - Зависимость выходной мощности лазера от длины волны накачки для активных элементов длиной 2,5 мм с различными коэффициентами пропускания выходного зеркала
Максимальная выходная мощность излучения во всем исследуемом температурном диапазоне получена для выходного зеркала с пропусканием 5 % на длине волны генерации. Максимальное значение выходной мощности составило 3,67 Вт при температуре +35 С (максимум поглощения кристалла УЬ3+:УЛО вблизи 940 нм), минимальное значение выходной мощности составляло 1,93 Вт при температуре +65 °С. Кроме того, наблюдался локальный
минимум по выходной мощности при температуре -30 °С (минимум в спектре поглощения между пиками на 940 нм и 915 нм), в котором для оптимального выходного зеркала пропусканием 5 % значение мощности лазера составляло 2,23 Вт.
Максимальная разница между экспериментальными и расчетными значениями составила 9 %, что свидетельствует о хорошем соответствии результатов численного моделирования и экспериментальных данных.
Далее была исследована зависимость выходной мощности лазера при постоянном значении пропускания выходного зеркала 5 % для активных элементов длиной 2,5 мм, 2,75 мм и 3,0 мм. Эксперименты проводились при положительных температурах, т.е. в зоне минимальной выходной мощности лазера. Результаты экспериментов приведены на рисунке 5.
943 945 948 950 953
X, НМ
Рисунок 5 - Выходная мощность лазера в зависимости от длины волны накачки для активных элементов разной длины с оптимальным выходным зеркалом
В максимуме поглощения вблизи пика 940 нм разница по выходной мощности для разных активных элементов была невелика, максимальная мощность при этом наблюдалась для элемента длиной 2,5 мм и составляла 3,67 Вт. При максимальной температуре окружающей среды максимальная мощность излучения лазера наблюдалась для кристалла длиной 3 мм и составила 2,02 Вт, что практически на 5 % больше, чем для активного элемента длиной 2,5 мм.
Зависимость потребляемой лазерной системой электрической мощности для получения выходной мощности излучения более 2 Вт в диапазоне температур от -40 С до +65 С представлена на рисунке 6.
16,0 -,
15,5 -
15,0 -
14,5 -
1—
ш 1 4,0 -
гГ
t .-I 1 3,5 -
d ■m 13,0 -
:
12,5 -
12,0 -
11,5 -
11,0
-40 -20 0 20 40 60
Температура,°С
Рисунок 6 - Зависимость потребляемой электрической мощности лазера от температуры
Таким образом, эффективность «от розетки» разработанной лазерной системы была более 12,5 % во всем температурном диапазоне. Для стабилизации выходной мощности излучения на одном уровне во всем температурном диапазоне достаточно использования адаптивной системы питания лазера (изменение тока через лазерный диод накачки в зависимости от температуры окружающей среды).
Заключение
Предложен метод создания надежных и эффективных источников лазерного излучения в спектральном диапазоне около 1 мкм на основе иттербий содержащих материалов, обладающих высокой стабильностью выходных характеристик в широком температурном диапазоне.
Проведено математическое моделирование и экспериментальное исследование работы УЬ:УЛО лазера в непрерывном режиме генерации с продольной диодной накачкой в диапазоне температур от -40 °С до +65 °С без принудительной температурной стабилизации с целью оптимизация длины активного элемента и коэффициента пропускания выходного зеркала для получения максимальной выходной мощности при всех исследованных температурах. Максимальная выходная мощность УЬ:УЛО лазера достигнута при использовании активного элемента длиной 3 мм и выходного зеркала с коэффициентом пропускания 5 %.
Во всем температурном диапазоне мощность лазерного излучения составила более 2 Вт с эффективностью «от розетки» более 12,5 %.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения данного подхода для создания компактных, надежных и эффективных лазерных систем с продольной диодной накачкой для применения в портативных измерительных системах, работающих в полевых условиях.
Список использованных источников
1. Koechner, W. Solid State Laser Engineering / W. Koechner. - Sixth Revised and Updated Edition. - New York : Springer, 2006. - 764 p.
2. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом / Г. М. Зверев [и др.]. - М. : Радио и связь, 1985. - 144 с.
3. Jensen, T. Spectroscopic characterization and laser
performance of diode-laser-pumped Nd:GdVO4 / T. Jensen [et al.] // Applied Physics B. - 1994. -Vol. 58. - Pp. 373-379.
4. Aull, Brian F., Vibronic interactions in Nd:YAG
resulting in nonreciprocity of absorption and stimulated emission cross sections / Brian F. Aull, Hans P. Jenssen // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1982. - Vol. 18. - Pp. 925-930.
5. Streifer, W. Advances in diode laser pumps / W.
Streifer [et al.] // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1988. - Volume 24. - Рр. 883-894.
6. Fan, T.Y. Diode laser-pumped solid-state lasers / T.Y. Fan, R.L. Byer // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1988. - Volume 24. - Pp. 895-912.
7. Reinberg, A.R. GaAs:Si LED pumped Yb-doped YAG laser / A.R. Reinberg [et al.] // Applied Physics Letters. - 1971. - Volume 19. - Pp. 11-13.
8. High efficient 12W diode-pumped actively Q-swit-
ched Yb:KGd(WO4)2 laser / V.E. Kisel, A.S. Ru-denkov, N.V. Kuleshov, A.A.Pavlyuk // Optics Letters. - 2014. - Volume 39. - pp. 3038-3041.
9. Effect of ytterbium concentration on cw Yb:YAG
microchip laser performance at ambient temperature - Part I: Experiments. / Jun Dong, A. Shi-rakawa, K.-I. Ueda, A.A. Kaminskii // Applied Physics B. - 2007. - Volume 89. - pp. 359-365.
10. Effect of ytterbium concentration on cw Yb:YAG microchip laser performance at ambient temperature - Part II: Theoretical modeling. / Jun Dong, A. Shirakawa, K.-I. Ueda, A. A. Ka-minskii // Applied Physics B. - 2007. - Volume 89. - pp. 367-376.
11. Room-temperature 50-mJ/pulse side-diode-pumped Yb:YAG laser / Sumida D. S., Fan T. Y. // Optics Letters. - 1995. - Volume 20. - pp. 2384-2386.
12. Laser demonstration of Yb3Al5O12 (YbAG) and materials properties of highly doped Yb:YAG / Pa-tel F. D., Honea E. C., Speth J., Payne S. A., Hut-cheson R., Equall R. // IEEE Journal of Quantum Electronics. -2001. - Volume 37. - pp. 135-144.
CW Yb:YAG LASER FOR PORTABLE MEASURING SYSTEMS
Ivashko A.M.1, Kisel V.E.2, Yasukevich A.S.2, KuleshovN.V.2
JSC «Peleng», Minsk, Belarus 2Center for Optical Materials and Technologies, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus
e-mail: VEKisel@bntu.by
Abstract. The theoretical and experimental results of longitudinally continuous-wave diode-pumped Yb:Y3Al5O12 (YAG) laser performance for compact field-condition measuring systems were demonstrated. Optimization of laser setup in terms of operation condition in the range of -40 °C - +65 °C without active thermal stabilization was carried out. Using Yb (10 aT.%):YAG crystal with the length of 3 mm the maximal output power more than 2 W was obtained in the whole of temperature range.
Keywords: laser, ytterbium, longitudinally diode pumping, wide temperature range.
References
1. Koechner W., Solid State Laser Engineering. New York, Springer, 2006. 764 p.
2. Zverev G.M., Holiaev Y.D., Shalaev E.A., Shokin A.A. Lasery na alymoittrievom granate s neodimom [Lasers on yttrium aluminum garnet with neodymium]. Moskow, Radio i sviaz Publ., 1985. 144p.
3. Jensen T., Ostroumov V.G., Meyn J. -P., Huber G, Zagumennyi A.I., Shcherbakov I.A. Spectroscopic characterization and laser performance of diode-laser-pumped Nd:GdVO4. Applied Physics B, 1994, Vol. 58, pp. 373-379.
4. Aull B.F., Jenssen H.P. Vibronic interactions in Nd:YAG resulting in nonreciprocity of absorption and stimulated emission cross sections. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1982, Vol. 18, pp. 925-930.
5. Streifer W., Scifres D.R., Harnagel G.L., Welch D.F., Berger J, Sakamoto M. Advances in diode laser pumps. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1988, Vol. 24, pp. 883-894.
6. Fan T.Y., Byer R.L. Diode laser-pumped solid-state lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1988, Vol. 24, pp. 895-912.
7. Reinberg A.R., Riseberg L.A., Brown R.M., Wacker R.W., Holton W. C. GaAs:Si LED pumped Yb-doped YAG laser. Applied Physics Letters, 1971, Vol. 19, pp. 11-13.
8. Kisel V.E., Rudenkov A.S., Kuleshov N.V., Pavlyuk A.A. High efficient 12W diode-pumped actively Q-switched Yb:KGd(WO4)2 laser. Optics Letters, 2014, Vol. 39, pp. 3038-3041.
9. Dong J., Shirakawa A., Ueda K.-I., Kaminskii A.A. Effect of ytterbium concentration on cw Yb:YAG microchip laser performance at ambient temperature - Part I: Experiments. Applied Physics B, 2007, Vol. 89, pp. 359-365.
10. Dong J., Shirakawa A., Ueda K.-I., Kaminskii A.A. Effect of ytterbium concentration on cw Yb:YAG microchip laser performance at ambient temperature - Part II: Theoretical modeling Applied Physics B, 2007, Vol. 89, pp. 367-376.
11. Sumida D.S., Fan T.Y. Room-temperature 50-mJ/pulse side-diode-pumped Yb:YAG laser. Optics Letters, 1995, Vol. 20, pp. 2384-2386.
12. Patel F.D., Honea E.C., Speth J., Payne S.A., Hutcheson R., Equall R. Laser demonstration of Yb3Al5Oi2 (YbAG) and materials properties of highly doped Yb:YAG. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2001, Vol. 37, pp. 135-144.
Поступила в редакцию 15.10.2014.
