CC BY
32Спектральные характеристики излучения микрочип - лазера с высококонцентрированной активной средой Nd:LSB и накачкой лазерным
диодом
Брославец Ю.Ю. (1), Фомичев А.А. (1), ([email protected]), Коваль Ю.П. (2), Кобякова М.Ш. (2), Кузьмин О.В. (3)
(1) МФТИ, Москва,
(2) НИИ "Полюс", Москва,
(3) НПО "Фирн", Краснодар
Аннотация. Исследованы спектральные и генерационные характеристики микрочип - лазера с высококонцентрированной активной средой (Nd, La)Sc3(BO3)4 (концентрация активаторных ионов Nd3+ - 10 - 25% ). В непрерывном режиме генерации максимальная мощность выходного излучения микрочип - лазера достигает ~ 195 мВт, при накачке ~ 650 мВт, ширина линии генерации при этом составляет 100 - 500 МГц. В режиме с пассивной модуляцией добротности и удвоением частоты выходная мощность на второй гармонике составила ~ 4.5 мВт, при уровне накачки 600 мВт. При этом, длительность импульсов достигала ~ 5 нс, с частотой повторения ~ 10 кГц при ширине спектра излучения ~ 200 Мгц. Установлено, что спектральная ширина генерации микрочип - лазера существенно зависит от согласования перетяжек излучения накачки и генерации.
В традиционных лазерных средах высокая концентрация активных ионов приводит к
3+
повышению нежелательных безизлучательных переходов с верхнего состояния в следствии Nd
3+
- Nd взаимодействия (кросс - релаксационное взаимодействие, обменное взаимодействие) и
3+
уменьшает время жизни уровня. В ряде лазерных кристаллов ионы Nd3+ стехиометрически входят в состав кристаллической решетки и, благодаря большому расстоянию друг от друга, обладают слабым взаимодействием даже при их высоких концентрациях (40-50 %). К таким кристаллам относятся (Nd,La)Sc3(BO3)4 - Nd:LSB [1], Nd:CSB [5], (Nd,Y)Ab(BO3)4 - Nd:YAB. Это
3+
позволяет создавать лазерные элементы с концентрацией Nd 40 % и более. В настоящее время заметно продвижение в области повышения выходной мощности и эффективности полупроводниковых лазеров, тем не менее, все еще обладающих недостаточным для многих приложений качеством выходного излучения (высокая расходимость излучения, малая длина когерентности и т. д.). Наряду с другими преимуществами, это делает актуальным создание твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Высококонцентрированные активные среды хорошо подходят для этих целей, обладая малой длиной активной среды при высокой концентрации активных ионов, что позволяет более оптимально согласовать перетяжку накачки с выходным излучением, а также получить одночастотный режим генерации при использовании короткого резонатора. Широкая линия поглощения (~ 4 нм на длине волны 808 нм) в этих средах хорошо согласуется с параметрами излучения полупроводниковых лазеров.
В ряде приложений, в частности в области создания доплеровских измерителей скоростей частиц в атмосфере - лидаров наиболее важными параметрами используемых лазеров являются их спектральные характеристики излучения: малая ширина спектра ( <100 кГц), большая длина когерентности (>100 м). Согласно оценкам [2] твердотельные микрочип лазеры с полупроводниковой накачкой могут иметь ширину спектра излучения <1 Гц. В данной работе исследуются спектральные параметры реального микрочип - лазера с активной средой Nd:LSB. Активный элемент на основе кристалла (Nd,La)Sc3(BO3)4 обладает достаточно широкой линией люминесценции (4 нм), что приводит к необходимости использования очень коротких
резонаторов (~ 100 мкм) для получения одночастотного режима генерации, поэтому в этом случае особо важным становится высокая концентрация активаторных ионов. В ряде приложений необходимо излучение второй гармоники (0.53 мкм) высокой интенсивности и с хорошими спектральными и пространственными характеристиками излучения.
Эксперимент
Использованный в работе, микрочип - лазер состоит из активного элемента на кристалле (Nd,La)Sc3(BÜ3)4, вырезанного в виде диска толщиной 1 мм и диаметром 2.4 мм вдоль оптической оси, нелинейного кристалла КТР толщиной 1 мм и пассивного затвора на YAG:Cr4+.
3+
Параметры активной среды: концентрация Nd - 10% , время жизни верхнего уровня 118 мкс, ширина спектра люминесценции ~ 4 нм. На активный элемент с одной стороны нанесено отражающее покрытие на 1.06 мкм и просветляющее на 808 нм, а с другой - просветляющее на 1.06 мкм и отражающее на 0.53 мкм. Микрочип - лазер помещался на элемент Пельтье для подстройки температуры нелинейного кристалла в составе сборки рис. 1.
OPTICAL MULTICHANNEL
Для накачки лазера использовался лазерный диод с размером излучающей поверхности 1x100 мкм и выходной мощностью до 800 мВт при токе накачки 1.4 А. В диод встроена корректирующая цилиндрическая линза и фотоприемник для контроля выходной мощности. Питание лазерного диода осуществлялось от источника тока обеспечивающего требуемые параметры по стабильности и выбросам напряжения и тока. Излучение полупроводникового лазера фокусировалось в перетяжку размером ~ 5-50 мкм в активную среду с помощью линзы с фокусным расстоянием 3 см. Длина волны выходного излучения полупроводникового лазера подстраивалась путем изменения температуры с помощью элемента Пельтье. Для измерения длины волны использовался сдвоенный монохроматор МДР - 6У с встроенной камерой ОМА (HEROS). Число каналов в линейке фотоприемников - 500, межканальное разрешение - 0.325 нм.
Для измерения длительности генерируемых импульсов (~5 нс) использовался фотоприемник ЛФД-2 и осциллограф С1-75. Для измерения ширины спектра выходного излучения микрочип - лазера использовался конфокальный сканирующий интерферометр Фабри-Перо с разрешением ~ 40 МГц и спектральным диапазоном 8 ГГц. На сканирующий интерферометр подавалось пилообразное напряжение, которое одновременно служило для развертки в осциллографе и оцифровывалось в компьютере. Сигнал с ФЭУ или фотодиода подавался на усилитель, и затем на вертикальный канал осциллографа и также оцифровывался. Таким образом, были получены спектры излучения микрочип - лазера (рис. 6, 9, 10).
Поскольку параметры выходного излучения существенным образом зависят от стабильности длины волны и мощности излучения накачки, проведены измерения зависимости выходной мощности лазерного диода от тока накачки, показавшие линейную характеристику с порогом ~ 160-200 мА и мощностью ~ 500 мВт при токе 1000 мА (максимальный ток накачки -1400 мА) (рис. 2).
800,-
600
CL
200
0
200 400 600 800 1000 1200 1400
Л (тА)
Рис. 2.
Спектральные измерения показали увеличение ширины спектра выходного излучения более 4 нм при токах накачки превышающих 1 А, что снижает эффективность накачки [3]. На рис.3. показаны спектры излучения лазерного диода при увеличении тока накачки. Длина волны выходного излучения поддерживалась в области 808 нм путем изменения температуры с
помощью элемента Пельтье. Температура лазера измерялась с помощью резистивного термодатчика. Проведенные измерения показали существенное изменение эффективности генерации микрочип - лазера при изменении температуры полупроводникового лазера.
пт
Рис. 3.
При превышении порога 420 мВт (900 мА) на выходе микрочип лазера генерировались импульсы излучения (0.53 мкм, вторая гармоника) с длительностью ~5 нс, при этом частота повторения импульсов изменялась в пределах 10-13 кГц. Выходная мощность измерялась с помощью измерителя мощности ИМО-2 и фильтров СЗС-21. Остаточное излучение накачки не попадало в измеритель ввиду различных углов распространения.
14-
12'
10.
1 8 О
О.
6
4
0
460 480 500 520 540 560 580 600 620
Р (тМ/)
Рис. 4.
Необходимо отметить, что максимальная мощность (4.5 мВт) достигалась при настройке лазера на сравнительно большой порог 420 мВт. При минимальной же пороговой мощности
2
накачки 235-300 мВт, максимальная мощность генерации не превышала 1 мВт. График зависимости выходной мощности генерации от мощности накачки показан на рис.4., а зависимость проходящей мощности (808 нм) от мощности накачки показана на рис. 5.
40
35'
30'
!25
20.
15
10
100 200 300 400 500
P (mW)
Рис. 5.
600 700
Необходимо отметить наличие нескольких локальных максимумов в выходной мощности при изменении мощности накачки и наличие минимума в проходящей мощности накачки при максимуме мощности генерации.
1,4
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
0,0 0,5 1,0
F ( 400 MHz/Del)
Рис. 6.
Измерение ширины спектров излучения с помощью сканирующего интерферометра показало сильную зависимость частоты излучения от мощности накачки и параметров микрочип - лазера (температура, угол падения излучения накачки). Ширина спектра при этом получалась порядка 200-300 МГц (рис. 6.).
Для сравнения - измерения ширины спектра излучения непрерывного Кё:УЛО лазера с полупроводниковой накачкой и удвоением частоты дали величину верхней оценки 40 МГц (проведенные интерферометрические измерения показали ~ 5 м длину когерентности).
Необходимо отметить, что в импульсном лазере с длительностью импульсов ~ 5 нс длина когерентности должна быть менее 1.5 м, а ширина спектра более 200 МГц, т.е. полученные нами величины говорят о том, что ширина выходного излучения в основном определяется импульсным режимом работы лазера.
СЗС-21 КТР Ы<3 18В полупроводниковый
лазер 808 нм
Рис. 7.
В микрочип - лазере с непрерывным режимом генерации ширина спектра во многом определяется стабильностью оптической схемы и излучения накачки. Поэтому был исследован микрочип - лазер (рис. 7.) с активной средой (Кё,Ьа)8е3(Б03)4 (концентрация активаторных ионов Кё - 25 %) у которого выходное зеркало, нанесенное на кристалл имело пропускание 50% и, кроме того, использовалось дополнительное зеркало с пропусканием 2% .
P (mW)
Рис. 8.
Внутреннее зеркало с большим пропусканием обеспечивало селекцию мод таким образом, чтобы в генерацию выходила одна продольная мода. Второе выходное зеркало давало необходимый коэффициент пропускания для получения максимальной мощности генерации и обеспечивало более узкую линию генерации. Зависимость выходной мощности от мощности накачки для микрочип - лазера в непрерывном режиме генерации показана на рис. 8. Максимальная мощность излучения ~ 195 мВт.
Спектр выходного излучения показан на рис 9. Вследствие недостаточной стабильности длины резонатора (недостаточной жесткости крепления выходного зеркала), и в результате флуктуаций длины резонатора и рассогласования частот настроек связанных резонаторов лазера, выходное излучение промодулировано по амплитуде, а спектр излучения достигает ширины 0.5 ГГц.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
F ( 1 GHz/Del )
Рис. 9.
Необходимо отметить, что, при недостаточно хорошем согласовании перетяжки накачки полупроводникового лазера с излучением генерации, в спектре выходного излучения появляются частоты поперечных мод (частоты линий в спектре излучения соответствуют поперечным модам, на рис. 9. показаны частоты двух поперечных мод). Оптимальное согласование размеров перетяжек, а также уменьшение эллиптичности излучения накачки, позволили уменьшить уровень поперечных мод, а также ширину линии генерации (на рис. 10. пик большей амплитуды соответствует частоте основной моды, а меньшей - поперечным модам более высокого порядка.).
г> <—
1
Li м
1 \ : \
f V
Лг J ^ 1
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
F (1 GHz/Del)
Рис. 10.
Выводы
Проведенные исследования по генерации излучения в микрочип - лазере на основе активной среды (Nd, La)Sc3(BO3)4 и накачке полупроводниковым лазером (длина волны 808 нм) показали, что в непрерывном режиме генерации максимальная мощность выходного излучения достигает ~ 195 мВт при накачке ~ 650 мВт, при этом порог генерации ~ 100 мВт. Ширина линии генерации при этом составляет 100 - 500 МГц. В режиме с пассивной модуляцией добротности и удвоением частоты выходная мощность на второй гармонике составила ~ 4.5 мВт при уровне накачки 1200 мА (600 мВт) и пороге генерации ~ 400 мВт. При этом, длительность импульсов получалась ~ 5 нс, частота ~ 10 кГц, ширина спектра излучения ~ 200 Мгц.
Спектральная ширина генерации микрочип - лазера существенно зависит от согласования перетяжки накачки и генерации, поскольку для микрочип - лазера пучок накачки выполняет диафрагмирующую роль. Таким образом, их неправильный выбор приводит к генерации поперечных мод. При этом, поскольку частоты поперечных мод зависят от кривизны зеркал, то при изменениях тепловой линзы в активной среде изменяются и частоты этих мод, что приводит к уширению и нестабильности спектра выходного излучения. Спектр генерации микрочип -лазера уже, чем у лазера с внешними зеркалами, вносящими дополнительное уширение, ввиду нестабильностей оптической схемы. При этом использование короткой активной среды, с длиной 100-300 мкм в микрочип - лазере, может дать возможность работы в одночастотном режиме генерации.
Литература
1. J. P. Meyn, Thomas Jensen, and Gunter Huber, "Spectroscopic Properties and Efficient Diode -Pumped Laser Operation Of Neodymium-Doped Lanthanum Scandium Borate" IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.30. No 4 April 1994.
2. Н.В. Кравцов, Е.Г. Ларионцев, А.С. Чиркин, "О предельной пространственной когерентности излучения одномодовых чип - лазеров." Квантовая электроника, 22, № 5, 1995.
—а к—
1 /1
\ II \
1 1 \
J 4 kj
3. А.И. Загуменный, Н.В. Кравцов, О.Е. Наний, М.Ю. Никольский, А.М. Прохоров, В.В. Фирсов,
3+
И.А. Щербаков, "Лазер на кристалле 0ёУ04:Кё с полупроводниковой накачкой" Квантовая электроника, 20, № 12, 1993.
4. В.А. Михайлов, Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, В.Г. Остроумов, П.А. Студеникин, Е.
3+
Хойманн, Г. Хубер, И.А. Щербаков, "0ёУ04:Тш - новая эффективная среда для двухмикронных лазеров с диодной накачкой", Квантовая электроника, 24, № 1, 1997.
5. О.В. Кузьмин, Г.М. Кузьмичева, С.А. Кутовой, А.А. Мартынов, В.Л. Панютин, В.И. Чижиков, "Скандоборат церия - активно-нелинейная среда для лазеров с диодной накачкой", Квантовая электроника, 25, № 1, 1998.
