CC BY
60
ПОЛУЧЕНИЕ ВТОРОЙ СТОКСОВОЙ КОМПОНЕНТЫ ВКР(Л~1,3152 МКМ) В КРИСТАЛЛАХ КУ^04)2 ПРИ НАКАЧКЕ
СБ3СА5012:Ш-ЛАЗЕРОМ О.Н. Антонов, Я.С. Пантась, А.В. Сандуленко, М.Г. Сугракшиева Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор И.В. Мочалов
Статья содержит описание принципов работы и особенностей генерации моноимпульсного твердотельного ВКР лазера, генерирующего на длине волны 1,3152 мкм. Излучение на длине волны 1,3152 мкм генерировалось путем преобразования излучения неодима в кристалле 0^ва5012:№ на основном переходе во вторую стоксову компоненту ВКР кристаллом КУ^04)2.
Введение
Для инициирования работы мощных каскадов лазерных усилителей на парах йода используется задающий генератор с управляемыми спектральными, временными и пространственными характеристиками излучения. Обычно в качестве такого задающего генератора используется генератор на парах йода, но его использование осложняется необходимостью после каждого использования удалять из рабочей камеры продукты реакции (кристаллический йод, углерод и пр.). Поэтому представляется актуальной задача разработки лишенного этого недостатка твердотельного генератора. При создании такого излучателя необходимо учитывать все предъявляемые к нему требования по спектральным, пространственным и временным характеристикам.
Одним из основных требований, предъявляемых к задающему генератору, является точное соответствие длины волны генерируемого излучения линии усиления йода (Х=1,3152 мкм). Возможным решением этой задачи могло бы быть создание лазера на твердотельной активной среде, генерирующей непосредственно на 1,3152 мкм. Известно, что в области 1,3 мкм ионы трехвалентного неодима могут излучать на дополнительном переходе 4Б3/2 ^ 4113/2. Однако поперечное сечение вынужденного излучения на этом переходе в 3-3,5 раза меньше, чем на более сильном основном 4Б3/2 ^ 4111/2, поэтому одна из основных трудностей получения эффективной генерации на данном переходе связана со сбросом инверсии населенности через канал суперлюминесценции, протекающей на более сильном основном переходе. При работе с небольшими выходными энергиями генерации такой лазер мог бы надежно работать, но при необходимости достижения более высоких выходных энергий эта трудность становится непреодолимой. Кроме того, ни одна из известных неодим-содержащих лазерных сред [1] не обеспечивает длину волны генерации, равную 1,315 мкм, а поиск новых активных сред (не обозначенных в справочниках), генерирующих на заданной длине волны, является дорогостоящей исследовательской работой.
Другой возможностью получения генерации на необходимой длине волны могла бы явиться разработка параметрического генератора света, однако при этом существенным недостатком является высокая чувствительность установки к изменению внешних параметров, особенно к температуре. Специфика задачи требует высокой стабильности длины волны задающего излучателя, что усложняет и увеличивает стоимость реализации этого метода.
В качестве одной из возможных схем задающего лазера, удовлетворяющей всем поставленным условиям, предлагается использовать генератор, в котором излучение на требуемой длине волны получается как вторая стоксова компонента, генерируемая при накачке твердотельной ВКР-активной (ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние) среды неодимовым лазером. Особенностью схемы является внутрирезонаторное расположение ВКР-активного элемента [2].
Постановка задачи
Задачей настоящей работы являлось исследование возможности получения генерации на длине волны Х=1,3152 мкм с использованием преобразования излучения на основном переходе 4Б3/2 ^ 4111/2 иона неодима в кристалле 0ё30а5012:Кё во вторую стоксо-ву компоненту ВКР в кристалле КУ^04)2. Для этого необходимо было разработать лазер, отвечающий следующим требованиям:
(а) длина волны генерации Х=(1,3152±0,00005) мкм;
(б) полуширина линии генерации < 0,5 см-1;
(в) длительность импульса < 1 нс;
(г) энергия импульса > 1 мДж.
Требования к точности длины волны генерации обусловлены необходимостью попадания в узкую спектральную линию усиления паров йода.
Выбор пары активная среда - ВКР кристалл
Для выбора твердотельной активной среды задающего лазера и ВКР-активной среды, обеспечивающих возможность получения генерации на длине волны Х=1,3152 мкм, требовалось осуществить расчет необходимой длины волны лазера накачки, чтобы вторая стоксова компонента, генерируемая одной из известных ВКР-активных сред [3], обеспечила получения необходимой длины волны. Расчет производился по формуле 104
* = ^^-- (1)
10/ + 20 д
/ /1зад
где Хзад - требуемая длина волны 1,3152 мкм; X - искомая длина волны накачки (мкм);
- величина стоксова сдвига (см-1).
В табл. 1 приведены величины стоксова сдвига некоторых ВКР-активных кристаллов и рассчитанные по формуле (1) требуемые длины волн генерации.
Наименование кристалла Величина стоксова сдвига (см-1) Требуемая длина волны генерации (мкм)
К0ё^04)2 767,4 1,0943
К0ё^04)2 901,0 1,0631
КУ^04)2 905,6 1,0621
КУЬ^04)2 908,0 1,0616
№2 929,2 1,0569
Ба(К0э)2 1048,6 1,0309
Таблица 1. Величины Стоксовых сдвигов ВКР-активных кристаллов и требуемые длины волн генерации твердотельной активной среды задающего лазера
В табл. 2 приведены длины волн генерации некоторых неодим-содержащих кристаллов [1]. Данные приведены для матриц, обеспечивающих генерацию на длинах волн, близких к требуемым при комнатной температуре.
Наименование кристалла Длина волны генерации (мкм) при Т=300К
аё38с2Ав012:Ш 1,0620
Ьи38с2Ав012:Ш 1,0620
0ё30а5012:Ш 1,0621
У38с2Ав012:Ш 1,0622
Са5(Р04ЬР:Ш 1,0630
ЬаБ3:Ш 1,0632
СаЕ2-УБ3:Ш 1,0632
Таблица 2. Длины волн генерации некоторых неодим-содержащих кристаллов
при 300К
В результате анализа данных, приведенных в табл. 1 и 2, были выбраны 2 пары кристаллов, позволяющие получить генерацию на требуемой длине волны:
• ЬаБ3:Кё (фтористый лантан, активированный неодимом) и К0ё^04)2(КГВ - калий-гадолиниевый вольфрамат);
• 0ё30а5012:Кё (ГГГ - галлий-гадолиниевый гранат, активированный неодимом) и КУ^04)2 (КИВ - калий-иттриевый вольфрамат).
Использование в качестве ВКР-активных сред кристаллов двойных вольфраматов предоставляло возможность замены редкоземельных ионов основы (иттрия или гадолиния) на ионы других спектрально-нейтральных редкоземельных металлов (лантана, иттербия или лютеция), что, в конечном итоге, позволяло плавно изменять значение стоксова сдвига и настраивать излучение на нужную длину волны. Используемая в работе в качестве модельной схема генерации с ламповой накачкой и длиной резонатора в несколько десятков сантиметров заведомо не могла обеспечить требуемых длительностей импульса. Для достижения длительности импульсов ~1 нс необходимо использование коротких (~1 см) резонаторов, реализуемых в схемах лазеров с диодной накачкой.
Экспериментальная установка
Эксперименты проводились на макете лазера, оптическая схема которого приведена на рис. 1.
3
1
5
Рис. 1. Оптическая схема ВКР лазера: 1 - выходное зеркало; 2 - ВКР-активная среда;
3 - квантрон с лампой накачки и активным элементом; 4 - пассивный затвор; 5 - глухое
зеркало
В резонаторе использовалось плоское глухое зеркало, имеющее ^-100% на длинах волн 1,06 мкм, 1,17 мкм и 1,31 мкм, что соответствует излучению неодимового лазера, первой и второй стоксовой компоненты. В качестве выходного использовалось сферическое зеркало с радиусом кривизны 1,5 м, К>99% на длинах волн 1,06 мкм, 1,17 мкм и ^-50% на длине волны 1,31 мкм. Для обеспечения моноимпульсной генерации использовался пассивный кристаллический затвор (О-Б'ксЬ).
Спектральные исследования
Измерение максимума длины волны генерации лазера на кристалле ГГГ:М
(переход 4Р3/2-411/2 Х,~1,06 мкм)
В литературных источниках [1, 3] приводятся отличные друг от друга значения максимумов длин волн генерации иона неодима в кристаллах ГГГ на переходе 4Б3/2 ^ 4111/2. Поэтому вопрос уточнения значения максимума длины волны генерации кристаллов ГГГ на переходе 4Бз/2 ^ 4111/2 представлялся достаточно важным при выполнении настоящей работы.
Для проведения спектральных исследований на активном элементе из кристалла ГГГ был собран лазер с торцевой диодной накачкой, имеющий следующие параметры:
(а) длина резонатора 18 мм;
(б) зеркала плоские;
(в) коэффициент отражения выходного зеркала на длине волны Х~1,06 мкм Я=85 %;
(г) начальное пропускание пассивного кристаллического затвора УЛО:Сг3+ Т0=75 %;
(д) режим работы - импульсный частота 500 Гц;
(е) ток лазерного диода накачки (ЬББ-9) - 3,2 А.
Проведенные измерения показали, что длина волны генерации кристаллов ГГГ:Кё составляла Х=(1,0621±0,00005) мкм. Это значение с хорошей точностью совпало с длиной волны задающего генератора, которую мы использовали в наших расчетах, для получения генерации на длине волны Х=1,3152 мкм, считая, что стоксов сдвиг в ВКР-активной среде (кристалле КИВ) составляет 905,6 см-1 .
Измерение максимума длины волны генерации второй стоксовой компоненты ВКР лазера на основе пары ГГГ:М - КИВ (X,- 1.315) Было проведено измерение длины волны генерации второй стоксовой компоненты ВКР лазера на основе пары ГГГ:Кё - КИВ с ламповой накачкой (рис. 1). Для проведения измерений был собран лазер, резонатор которого имел следующие параметры:
(а) «глухое» зеркало - плоское, коэффициент отражения ^>99%, Х~1,06, 1,18 и 1,32 мкм;
(б) выходное зеркало - сферическое, с радиусом кривизны г=1,5 м и коэффициентами отражения ^>99%, Х~1,06 и 1,18 мкм, и ^-65%, Х~1,32 мкм;
(в) длина резонатора 0,4 м;
(г) активный элемент находился в трубке из кварца марки КЛЖ толщиной 1 мм;
(д) в качестве пассивного кристаллического затвора использовалась просветленная на рабочих длинах волн пластина из кристалла ГСГГ:Сг4+ толщиной -1,5 мм, с начальным пропусканием ^=18%;
(е) энергия накачки составляла 20 Дж;
Было установлено, что максимум длины волны второй стоксовой компоненты ВКР лазера на основе пары ГГГ - КИВ соответствовал длине волны Х=(1,3152±0,00005) мкм. Это подтвердило правильность выбранной концепции построения задающего генератора для каскада усилителей на парах йода с использованием твердотельного лазера, преобразующего излучение неодима в кристалле ГГГ на основном переходе во вторую стоксову компоненту ВКР в кристалле КИВ.
Исследование контура спектральной линии второй стоксовой компоненты
ВКР лазера ГГГ:М - КИВ
Для оценки полуширины линии излучения были проведены исследования контура спектральной линии второй стоксовой компоненты описываемого ВКР лазера.
120
100
э 80
ГбО
40
20
О
1314,4 1314,6 1314,8 1315,0 1315,2 1315,4 1315,6 1315,8 1316,0
X, нм
Рис. 2. Форма спектральной линии второй стоксовой компоненты ВКР лазера
Измеренная полуширина линии (рис. 2) соответствовала значению ~2,4 см-1. Такая полуширина свидетельствует о наличии нескольких продольных мод в излучении лазера и может быть уменьшена переходом к одномодовому режиму, например, путем введения внутрь резонатора интерферометра Фабри-Перо или трехмерной брегговской структуры для узкополосной фильтрации задающего излучения.
Исследования динамики и формы импульса
Исследования временной формы импульса проводились с использованием быстродействующего фотоприемника ЛФД2 и осциллографа ЬеСгоу ЬС-534. Собранная установка позволяла измерять длительность импульсов с точностью не хуже 1 нс. Параметры резонатора аналогичны указанным при описании измерения длины волны ВКР лазера. На рис. 3 приведена временная форма импульса второй стоксовой компоненты ВКР лазера (Х=1,3152 мкм), преобразующего излучение неодима в кристалле ГГГ на основном переходе во вторую стоксову компоненту ВКР в кристалле КИВ.
0,Е+00 -0,06 J
Рис. 3. Осциллограмма импульса второй стоксовой компоненты ВКР лазера
Длительность импульса составила ~7 нс. Подобная длительность импульса характерна для схемы с ламповой накачкой. В схеме с диодной накачкой за счет уменьшения длины резонатора до нескольких миллиметров эта величина может быть доведена до ~1 нс.
Заключение
В работе описана схема лазера, в котором излучение на длине волны 1,3152 мкм получается преобразованием излучения на основном переходе иона неодима в кристалле Gd3Ga5O12:Nd во вторую стоксову компоненту в кристалле KY(WÜ4)2.
ВКР лазер, собранный по предложенной схеме, обеспечил получение генерации на длине волны 1,3152 мкм с полушириной спектральной линии ~1,4 см-1 и длительностью импульса ~7 нс. Для получения более коротких длительностей импульса необходим переход к резонатору длиной не более 15-20 мм и использование диодной накачки вместо ламповой.
В результате проведенных экспериментов показана принципиальная возможность использования в качестве задающего генератора для каскада усилителей на парах йода твердотельного ВКР лазера, генерирующего излучение на длине волны Х=1,3152 мкм при преобразовании генерации на основном переходе неодима в кристалле Gd3Ga5O12 (Х=1,0621 мкм) во вторую стоксову компоненту ВКР в кристалле KY(WO4)2.
Литература
1. Weber, M. J. Handbook of Laser Wavelengths. - CRC Press LLC, 1999. - 777 p.
2. Webb C.E., Jones J.D. Handbook of Laser Technology and Applications. 3 Volumes. -IoP, 2004. - 2725 p.
3. Basiev T.T., Sobol A.A., Zverev P.G., Osiko V.V. Comparative spontaneous Raman spectroscopy of crystals for Raman lasers. // Sov. J. Quantum Electron. - 17. - 1999. -1560-1563.
4. Справочник по лазерам. Т.1. / Под ред. Прохорова А.М. - М.: Советское радио, 1978. - 504 с.
