CC BY
31
УДК 535.374
СИНХРОНИЗАЦИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ МОД СТОКСОВОЙ
КОМПОНЕНТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ Ш:УУ04 ЛАЗЕРА С ПРОДОЛЬНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ В РЕЖИМЕ МОДУЛИРОВАННОЙ ДОБРОТНОСТИ С ПАССИВНЫМ
ЗАТВОРОМ Сг4+:УЛС В. В. Безотосный1'2, М.В. Горбунков1, В. И. Дашкевич3, А. Л. Коромыслов1'2, В. А. Орлович3, Ю.М. Попов1'2, В. Г. Тункин4,
Е. А. Чешев1'2, Р. В. Чулков3
Впервые в условиях вырождения мод резонатора по частоте осуществлена синхронизация поперечных мод стоксовой компоненты, генерируемой в режиме ВКР-самопреобразования импульсным Nd:YVO4/Cr:YAG лазером с продольной диодной накачкой.
Ключевые слова: твердотельные лазеры, продольная диодная накачка, синхронизация мод, вынужденное комбинационное рассеяние.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является общепризнанным способом расширения диапазона длин волн лазеров, в том числе для твердотельных лазеров с диодной накачкой (ТЛДН). В ТЛДН генерация на стоксовой частоте может быть реализована в режиме внутрирезонаторного ВКР-преобразования с использованием дополнительных ВКР-активных кристаллов [1,2] или в режиме ВКР-самопреобразования [2]. В последнем случае для генерации лазерного и стоксова излучений используется один и тот же ВКР-активный кристалл, допускающий легирование редкоземельным ионом. В ТЛДН с ВКР-преобразованием частоты параметры стоксовой генерации во многом определяются параметрами основного лазерного излучения. При этом отдельно следует выделить случай твердотельного лазера с продольной диодной накачкой (ТЛПДН).
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
3 Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, 220072 Беларусь, Минск, пр. Независимости, 68.
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Международный лазерный центр, 119991 Россия, Москва, Ленинские горы, 1.
Ранее было продемонстрировано, что при использовании достаточно узкой продольной накачки и при выборе вырожденной конфигурации резонатора можно осуществить самосинхронизацию поперечных мод [3-6]. В этом случае существенно снижается порог генерации [3, 5], формируется специфическая негауссова структура поля [4, 6] и осуществляется концентрация излучения на оси активного элемента (АЭ) [4]. Реализация эффекта синхронизации поперечных мод представляет практический интерес и для ТЛПДН с внутрирезонаторным ВКР-преобразованием, поскольку открываются новые возможности для снижения порога ВКР-генерации и увеличения её эффективности.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию импульсного ТЛПДН на кристалле М:УУ04 с ВКР-самопреобразованием частоты при различных конфигурациях резонатора. Модуляция добротности резонатора осуществляется пассивным затвором Сг:УАО.
Рис. 1: Схема эксперимента: ЛД - лазерный диод; ЦЛ - цилиндрическая линза; Л1 -сферическая линза; З1, 32 - зеркала резонатора; СФ - светофильтры; ШД - шаговый двигатель; 1пСаЛв - фотодиод.
Принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 1. В качестве активного элемента лазера (АЭ) использовался кристалл Nd:YVO4 a-среза, имеющий длину 8 мм и обеспечивающий с участием фононной моды на частоте 890 см-1 ВКР-самопреобразование основного лазерного излучения на = 1064 нм в стоксову компоненту с длиной волны As = 1175 нм. Путем соответствующей юстировки зеркала 32 осуществлялась генерация пучка, имеющего а поляризацию, что обеспечивало в случае пассивной модуляции потерь максимально высокую пиковую мощность импульса [7]. Для накачки АЭ использовался лазерный диод (ЛД) с длиной волны Aр ~ 808 нм и выходной мощностью до 8 Вт. Излучение накачки фокусировалось на входной торец АЭ. Для ослабления тепловых эффектов в АЭ излучение ЛД модулировалось с помощью механического прерывателя.
Резонатор ТЛПДН был образован сферическим зеркалом З1 с радиусом кривизны 15Q мм и плоским выходным зеркалом З2. Зеркало З1 являлось глухим на длинах волн Af, As (R > 99.9%) и прозрачным на AP (T ~ 96%). Для реализации режима ВКР-самопреобразования применялось зеркало З2, имеющее на Ap и As коэффициенты отражения 99.9 и 96%, соответственно. Для генерации только основного лазерного излучения использовалось другое зеркало 32 с коэффициентом отражения на Aр 96%. Модуляция потерь резонатора осуществлялась кристаллом Cr4+:YAG с начальным пропусканием T0 = 80%. Конфигурация резонатора варьировалась путем изменения длины резонатора L посредством перемещения зеркала З2. Модулятор располагался вблизи выходного зеркала.
Временные характеристики излучения регистрировались с помощью InGaAs фотодиода с временем отклика 15Q пс и осциллографа Tektronix MDO41Q4-3 с полосой 3 ГГц. Пространственные распределения излучения на Aр и As регистрировались ПЗС-камерами, расположенными на расстояниях 3Q и 4Q см от зеркала З2, соответственно.
Рис. 2: Распределение плотности мощности излучения накачки на входном торце активного элемента (а) и зависимость порога генерации лазера на кристалле Ый:УУ04 от длины резонатора для основной и стоксовой компоненты (б).
Распределение плотности мощности излучения накачки на входном торце активного элемента К^УУ04 представлено на рис. 2(а). Пучок накачки в перетяжке является слегка астигматическим и характеризуется неоднородным распределением интенсивности в горизонтальной плоскости. Вертикальный и горизонтальный размеры пучка накачки (^ритр) на уровне 0.5 максимальной интенсивности составляют ~ 110 мкм и
~90 мкм, соответственно. Расчеты показали, что диаметр основной моды пустого резонатора Д0 на зеркале З1 при изменении Ь от 70 до 100 мм находился в пределах 420560 мкм. Таким образом, накачка АЭ была существенно неоднородна (Д0/дратр > 1), что является необходимым условием синхронизации поперечных мод.
(а) Ш (б)
Рис. 3: Пространственная структура излучения генерации на длинах волн 1064 нм ((а), (б)) и 1175 нм ((в), (г)) при Ь = 80 мм ((а), (в)) и Ь = 84 мм ((б), (г)).
Зависимости порогов генерации на Лр и Л^ от длины резонатора Ь приведены на рис. 2(б). Генерация стоксовой компоненты вблизи порога носила вероятностный характер. В связи с этим в качестве пороговой мощности накачки для Л^ бралась мощность ЛД, при которой ВКР-генерация наблюдалась не менее чем в 20% импульсов. Видно, что при длинах резонатора, близких к 80 мм, пороги генерации как на основной, так и стоксовой длинах волн существенно снижаются. Кроме того, при Ь = 80 мм пространственная структура излучения имеет кольцевую структуру как для Лр, так и для Л^ (рис. 3(а) и 3(в)). При других длинах резонатора распределение интенсивности в пучках является гауссовым (рис. 3(б), (г)). Указанные обстоятельства - снижение порога генерации и негауссов профиль пучка с кольцевой симметрией - указывают на проявление эффекта синхронизации поперечных мод резонатора, в том числе в случае ВКР-генерации.
Синхронизация поперечных мод наблюдается в вырожденных конфигурациях лазерного резонатора, определяемых следующим соотношением [3, 4]:
^агссс^!^) = п-, (1)
где r/s - правильная дробь, характеризующая вырождение, gi,2 = 1 — L/R1,2, R1,2 -радиусы кривизны зеркал резонатора. Из (1) следует, что при L = 80 мм параметр r/s равен 1/4, т.е. в эксперименте реализовывалась полуконфокальная конфигурация, характеризующаяся частотным вырождением мод, для которых разница радиальных индексов кратна двум.
Рис. 4: Типичные осциллограммы импульсов, генерируемых на длине волны 1064 нм ((а), (в)), совместно на длинах волн 1064 и 1175 нм (б) и на длине волны 1175 нм (г) в условиях синхронизации продольных мод ((б)-(г)) и её отсутствия (а). Масштаб шкал 10 нс/дел ((а), (б)), 4 нс/дел (в), 2 нс/дел (г).
Было установлено, что возникновение ВКР-генерации обусловлено эффектом пассивной синхронизации продольных мод резонатора, которая носила нестабильный характер. Осциллограммы, полученные без использования отрезающих спектральных фильтров, показали, что часть импульсов на имеет гладкую огибающую (рис. 4(а)). В этом случае ВКР-генерация отсутствовала. Одновременная генерация на и А^ наблюдалась лишь при наличии синхронизации продольных мод и характеризовалась модуляцией интенсивности импульса (рис. 4(б)). При синхронизации продольных мод
пиковая интенсивность лазерного излучения на Лр внутри резонатора многократно возрастала, что обеспечивало превышение порога ВКР-генерации. Наилучшие результаты по осуществлению ВКР-генерации получены при установке затвора Сг:УАО вблизи выходного зеркала З2. Типичные осциллограммы импульсов основного лазерного излучения и стоксовой компоненты приведены на рис. 4(в) и 4(г).
Крутой задний фронт импульса на Лр (рис. 4(в)) объясняется эффективным истощением лазерного излучения процессом ВКР-генерации. В обоих импульсах Лр и Л^ период модуляции интенсивности составляет 0.6 нс, что соответствует времени обхода резонатора (рис. 4(в) и 4(г)).
Другим благоприятным положением модулятора Сг:УАО являлась середина резонатора. В этом случае пассивная синхронизация мод развивалась по механизму сталкивающихся импульсов, интервал между короткими импульсами внутри огибающей составлял 0.3 нс, что соответствует времени прохода резонатора. В промежуточных положениях затвора Сг:УАО вероятность возникновения пассивной синхронизации продольных мод заметно уменьшалась, что, в свою очередь, приводило к снижению вероятности возникновения ВКР-генерации.
Таким образом, проведено исследование пороговых, пространственных и временных характеристик импульсного диодно-накачиваемого М:УУ04/Сг:УАС лазера с ВКР-самопреобразованием частоты при различных конфигурациях резонатора. Возникновение стоксовой компоненты однозначно связано с реализацией режима синхронизации продольных мод. По нашему мнению, впервые в твердотельном лазере с ВКР-самопреобразованием частоты в условиях продольной диодной накачки и частотного вырождения мод резонатора осуществлена синхронизация поперечных мод генерируемой стоксовой компоненты.
Авторы выражают благодарность А. А. Сироткину за предоставленные кристаллы. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ, соглашение № 14.575.21.0047. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) КЕМЕИ57514Х0047, Программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные и прикладные проблемы фотоники и физика новых оптических материалов", грантов РФФИ бел-а 16-52-00138, мол-а 16-32-00834, Учебно-научного комплекса ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
[1] T. T. Basiev, A. A. Sobol, P. G. Zverev, et al., Optical Materials 11, 307 (1999).
[2] V. I. Dashkevich, P. V. Shpak, S. V. Voitikov, et al., Opt. Commun. 351, 1 (2015).
[3] H. H. Wu, C. C. Sheu, T. W. Chen, et al., Opt. Commun. 165, 225 (1999).
[4] М. В. Горбунков, П. В. Кострюков, Л. С. Телегин и др., Квантовая электроника 37(2), 173 (2007).
[5] V. V. Bezotosnyi, E. A. Cheshev, M. V. Gorbunkov, et al., Laser Phys. Lett. 12, 2 (2015).
[6] V. V. Bezotosnyi, E. A. Cheshev, M. V. Gorbunkov, et al., Appl. Opt. 47, 3651 (2008).
[7] А. А. Сироткин, В. И. Власов, А. И. Загуменный и др., Квантовая электроника 41, 584 (2011).
Поступила в редакцию 30 января 2014 г.
