Твердотельный лазер синего спектра при нелинейно-оптическом преобразовании излучения YAG:Nd-лазера на длине волны 1. 34 мкм Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.373.8

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР СИНЕГО СПЕКТРА ПРИ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ УЛС:Ш-ЛАЗЕРА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1.34 МКМ

© 2015 А.О.Щукина1, М.Н.Ершков1, А.В.Гаврилов1, С.А.Солохин1, С.Н.Сметанин2

1 Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г.Москва

Поступила в редакцию 05.02.2015

Теоретически и экспериментально исследована генерация лазерного излучения синего спектрального диапазона, полученная путем нелинейного преобразования частоты YAGNd-лазера на длине волны 1.34 мкм. Синее излучение на длине волны 0.446 мкм получено методом генерации третьей гармоники при сложении излучений основной (1.34 мкм) и второй (0.67 мкм) гармоник YAGNd-лазера. Выходная энергия импульса синего лазера составляет 5 мДж при длительности 50 нс и эффективности преобразования 7 %.

Ключевые слова: синее излучение, YAGNd-лазер, генерация суммарной частоты.

Лазерные системы, позволяющие реализовать генерацию излучения в сине-голубой области спектра, в настоящее время представляют значительный интерес для решения различных практических задач. Синее излучение (X ~ 450 нм) попадает в минимум поглощения воды [1], что позволяет эффективно использовать его в системах специального назначения: подводная локация и связь, геодезические исследования континентального шельфа, системы подводного видения [2]. В настоящее время особый интерес представляют компактные твердотельные лазерные системы на основе кристаллических активных и нелинейных сред, обеспечивающих генерацию излучения с высокой энергией и малой длительностью импульса, а также обладающих высокой стабильностью и эффективностью работы. Для получения синего излучения применяется метод генерации второй гармоники квазитрехуровневых лазеров, таких как Nd:GdVO4, Nd:YAG, Nd:YAlO3 [3, 4], излучающих на длине волны в области 0.9 мкм. При этом получить излучение с высокими энергетическими параметрами отдельного импульса достаточно затруднительно, что связано с низкой эффективностью квазитрехуровневой схемы генерации, необходимостью применения источников накачки высокой мощности, сложностью реализации режимов моду-

Щукина Анна Олеговна, студентка 5 курса. E-mail: anna_shukina92@mail.ru

Ершков Михаил Николаевич, доцент кафедры «Лазерная физика и технология». E-mail: ershkovm@yandex.ru Гаврилов Андрей Валентинович, кандидат физико-математических наук, доцент, проректор по учебной работе и развитию. E-mail: gavrilovlft@bk.ru Солохин Сергей Александрович, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой «Лазерная физика и технология». E-mail: SolokhinS@gmail.com Сметанин Сергей Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник. E-mail: ssmetanin@bk.ru

ляции добротности. Перспективным подходом для реализации мощного лазера синего спектра является метод генерации третьей гармоники излучения неосновного перехода 4F3/2 ^ I Nd-лазеров на длине волны примерно 1.3 мкм [5]. Работа данных лазеров происходит по четырехуровневой схеме, что повышает эффективность генерации и позволяет при меньших энергозатратах получить более мощное излучение.

В настоящей работе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования генерации синего излучения на Я3® = 0.446 мкм, реализованной методом генерации суммарной частоты при сложении в кристалле DKDP основной ( Я® = 1.34 мкм) и второй (Я2® = 0.67 мкм) гармоник излучения YAG:Nd -лазера.

Генерация третьей гармоники методом суммарной частоты в кристалле DKDP возможна при выполнении условий соответствующего скалярного еое-синхронизма для складываемых основной и второй гармоник. Угол синхронизма для данного взаимодействия составляет 8c = 47.20. С целью определения оптимальных условий нелинейно-оптического преобразования излучения YAGNd-лазера было выполнено моделирование генерации синего излучения, основанное на численном решении системы укороченных уравнений для вещественных амплитуд взаимодействующих волн [6]:

da - а

—1 + ólal + cla2a3 sin у = 0 dz

da2 о -а

—2 + о2a2 + a2ala3 sin у = 0 dz

da3 o -a

—3 + ó3a3 - c3ala2 sin у = 0 dz

(1)

ду a2a3

dz a.

a1a

1a3 a1a2

13 -ct3-l-l) cos у = 0,

где aL, a2, a3 - амплитуды напряженности поля

a

a

2

3

основной, второй и третьей гармоник, определяемые через соответствующие интенсивности; 81,82,83 - коэффициенты линейного поглощения (8 = 0.025 см-1, 82 =83 = 0.005 см-1); о1,о2,оъ - коэффициенты нелинейной связи

= 5.0-10-6 В-1, о2 =9.6-10-6 В-1, оъ = 1.5-10-6 В-1); у = р1 + (р2 — р3 + Акг - обобщенная фаза ((,р2,р3 - начальные фазы оптических гармоник, Ак = к1 + к2 къ - волновая расстройка).

Расчет производился в квазистатическом приближении при гауссовой временной форме импульса складываемых оптических гармоник:

10) = 10 ехр

' 2? ^

(2)

10(т) = -

пС21

ехр

' 2? ^

(3)

сИ

¡о(2ф) =■

4А2пБ

2Ю I

псС21 ехр

( 2? ^

(4)

а

где длительность импульса Т по уровню еЛ задавалась равной 20 нс, 50 нс и 100 нс. Значения интенсивности в максимуме импульса каждой из гармоник на входе в кристалл (при г = 0) определялись из соотношения:

4(1 — А 2а)Е,.

здесь Ег - суммарная энергия складываемых излучений, А2ю - относительная доля энергии второй гармоники (задается в диапазоне от 0 до 1), диаметр пучка d принимался равным 0.5 см, длина кристалла Ь = 6 см. Расчет производился при значениях Е. = 0.1 Дж, 1 Дж и 2 Дж, где наибольшее значение соответствует порогу лучевой стойкости кристалла БКБР при длительности импульса 20 нс (Iпор = 0.5 ГВт/см2 [7]). В ходе выполненного расчета были найдены зависимости интенсивности третьей гармоники и эффективности преобразования от относительной доли энергии второй гармоники при заданных уровнях суммарной энергии. Результаты численного моделирования представлены на рис. 1 и рис. 2.

Из результатов, представленных на рис. 1 и рис. 2, следует, что при увеличении суммарной энергии складываемых излучений наибольшие значения интенсивности третьей гармоники и эффективности преобразования достигаются при меньших длительностях импульса, что связано с

О 02 04 0 6 0.3 сгт.ед. о 0,2 0.4 0.6 0.8 ¿Л,сгн.ед 0 0.2 0.4 0,6 0.8 ^ сгн.ед.

э! 5) В)

Рис. 1. Интенсивность излучения третьей гармоники 13ю в зависимости от относительной доли энергии второй гармоники А2ю : а) Е- = 0.1 Дж; б) Е. = 1 Дж; в) Е. = 2 Дж (1 - Т = 20 нс; 2 - Т = 50 нс; 3 - Т = 100 нс)

О 0 2 0.4 0 6 0 6 отнед. О 0.2 0.4 0 6 0.8 А^ОТН-вД. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 сгн.ед

а) V

Рис. 2. Эффективность преобразования в третью гармонику еЪю в зависимости от относительной доли энергии второй гармоники А2ю : а) Е. = 0.1 Дж; б) Е. = 1 Дж; в) Ег = 2 Дж (1 - т = 20 нс; 2 - Т = 50 нс; 3 - Т = 100 нс)

общим увеличением суммарной интенсивности складываемых излучений. При этом максимальные значения параметров генерации достигаются при определенных оптимальных значениях параметра А2ш : при Е. = 0.1 Дж А°р = 50%, при

1 2ю

Е, = 1 Дж и Е. = 2 Дж А°р = 65%. Для оптималь-

' ' 2ш

ных значений А2ш были построены графики максимальных значений Iтах (рис.3, а) и (рис.3, б) в зависимости от суммарной энергии Ei при различных длительностях импульса. Зависимость Iтах является практически линейной и при заданных параметрах расчета наибольшее значение интенсивности третьей гармоники достигает 200 МВт/см2. Зависимости имеют вид насыщающихся кривых, характер насыщения которых определяется степенью истощения энергии взаимодействующих гармоник. Расчеты показывают, что при сложении интенсивных гармоник с меньшей длительностью импульса наблюдается практически полная перекачка энергии (с учетом пассивных потерь) взаимодействующих волн в энергию третьей гармоники. Наибольшее значение эффективности преобразования составило 83 %.

Экспериментальные исследования генерации синего лазера на X ю = 0.446 мкм при последовательном нелинейно-оптическом преобразовании излучения УАО:Ш-лазера на Хю = 1.34 мкм проводились на установке, оптическая схема которой представлена на рис.4. Установка состоит из трех основных элементов: задающего генератора, лазерного усилителя и нелинейно-оптического преобразователя частоты. Задающий генератор состоит из УАО:Ш-активного элемента размером 06.3*100 мм и V- образного резонатора, образованного плоскими зеркалами З1 - З3. Применение в резонаторе дополнительного селек-

тирующего зеркала З2 (коэффициент отражения на Хш = 1.34 мкм - ^ 4 > 99%, на X = 1.064 мкм - ^1.064 < 1%) позволило исключить развитие генерации на основном переходе АР3П с длиной волны X = 1.064 мкм. Коэффициенты отражения концевого З1 и выходного З3 зеркал генератора на Ха = 1.34 мкм составляли соответственно 100% и 50% (для обоих зеркал Я1064 < 1%). Длина резонатора составила около 40 см.

Для реализации режима модуляции добротности применили электрооптический затвор на основе ячейки Поккельса, состоящей из кристалла ЦТа03 и призмы Глана. Зеркала З4 с Я134> 99% направляли излучение генератора в однопроходной лазерный усилитель. Усилитель состоял из двух УАО:Ш-активных элементов АЭ2 и АЭ3 06.3*130 мм, торцы которых дополнительно разводились на небольшой угол относительно оси генератора. Все оптические элементы генератора и усилителя были просветлены на X = 1.064 мкм. В лазере использовалась ламповая накачка активных элементов с энергией импульса до 60 Дж, длительностью 250 мкс и частотой следования 2 Гц. Нелинейно-оптический преобразователь состоял из двух последовательно установленных кристаллов: для генерации второй гармоники на Х2 а = 0.67 мкм использовался кристалл ЫЫЬ03 (8*10*20 мм); генерация суммарной частоты на X ш = 0.446 мкм была реализована в кристалле БКБР (020*60 мм). Торцы кристаллов не имели просветляющих покрытий на длины волн взаимодействующих излучений. С целью повышения интенсивности складываемых гармоник в кристалле БКБР использовали собирающую линзу с фокусным расстоянием 1 м. Перетяжка сфокусированного пучка формировалась на расстоянии примерно 50 см за выходным торцем кристалла

Рис. 3. Максимальные интенсивность I т™ (а) и эффективность преобразования £3 а (б) в зависимости от суммарной энергии складываемых излучений Е1 при оптимальных значениях А°р1

(1 - т = 20 нс; 2 - Т, = 50 нс; 3 - Т, = 100 нс)

Рис. 4. Оптическая схема экспериментальной лазерной установки

DKDP. Для измерения энергии излучения использовался измеритель мощности и энергии Ophir. Временные параметры измерялись с помощью лавинного фотодиода ЛФД-2А и цифрового осциллографа Agilent 350 MGz.

В ходе выполненных экспериментов были получены зависимости выходных энергетических параметров излучения оптических гармоник и эффективностей преобразования от энергии накачки. Графики соответствующих зависимостей представлены на рис. 5. Порог генерации на Лш = 1.34 мкм наблюдался при энергии накачки 24 Дж на лампу. Во всем диапазоне энергий на-

качки режим генерации являлся близким к одно-модовому, длительность импульса оставалась постоянной и составляла 50 нс. При энергиях накачки более 50 Дж наблюдалось насыщение энергии излучения на выходе генератора и усилителя. Максимальная энергия импульса на выходе генератора на Яю = 1.34 мкм составила 30 мДж. После прохождения усилителя энергия импульса увеличилась до 130 мДж.

В результате удвоения частоты в кристалле ЫЫЬ03 была получена генерация излучения красного спектра на Л2ю = 0.67 мкм. Максимальная энергия импульса второй гармоники составила

1,адц*

30

20

10

1

-

4

3 .

/ ...-■11-* .

jHf

• ' fl г

/ f

■ - ' |

40 SO

4

SO ¿^.д*

20

40 SO

5)

SO £, Дк

20

40 50 eo £„ Дкг

q)

Рис. 5. Зависимости параметров генерации от энергии накачки Ер: а) энергия излучения на Хю = 1.34 мкм (1 - генератор, 2 - усилитель); б) энергия излучения оптических гармоник

(1 - на Я2ю = 0.67 мкм, 2 - на = 0.446 мкм (схема без линзы), 3 - на А3ю = 0.446 мкм (схема с линзой);

в) эффективность преобразования: 1 - во вторую гармонику, 2 - в третью гармонику (схема без линзы), 3 - в третью гармонику (схема с линзой)

29 мДж. С учетом отражений на непросветленных гранях ЫЫЬ03 эффективность преобразования во вторую гармонику составила 30 %. При сложении излучений основной и второй гармоник в кристалле БКБР наблюдалась генерация синего излучения на Х3ю = 0.446 мкм. В схеме преобразования без линзы максимальное значение энергии третьей гармоники и эффективности преобразования составили Е3т,ах = 2.7 мДж и

= 3.5 %. С целью повышения параметров генерации излучение основной и второй гармоник фокусировали в кристалл БКБР с помощью собирающей линзы, применение которой позволило повысить суммарную интенсивность складываемых излучений в кристалле. В результате энергия синего излучения достигла Е3т,ах = 5.3 мДж при эффективности преобразования = 7 %. Пиковая мощность импульса составила 105 кВт. Увеличение параметров генерации синего лазера возможно при более оптимальном сложении излучений на Хю = 1.34 мкм и Х2 ш = 0.67 мкм, а также за счет увеличения общей энергии складываемых излучений.

Таким образом, в работе выполнено исследование генерации твердотельного синего лазера при нелинейно-оптическом преобразовании излучения УАО:Ш-лазера на длине волны неосновного перехода 1.34 мкм в кристалле БКБР. В результате выполненного численного анализа определены условия, позволяющие реализовать генерацию третьей гармоники УАО:Ш-лазера на Х3 ю = 0.446 мкм с высокими значениями интенсивности и эффективности преобразования при нелинейном сложении основной (1.34 мкм) и второй (0.67 мкм) гармоник УАО:Ш-лазера. Экс-

периментально реализована генерация синего излучения с энергией в импульсе 2.7 мДж при эффективности преобразования 3.5 %. Применение дополнительной фокусировки складываемых излучений позволило повысить энергию третьей гармоники до 5.3 мДж и эффективность преобразования до 7%.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России, госзадание № 2014/67.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hale G.M., Querry M.R. Optical constants of water in the 200 nm to 200 цш wavelength region // Appl. Opt. 1973. № 12. P. 555-563.

2. Карасик В.Е. Орлов В.М. Лазерные системы видения: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 352 с.

3. Квазитрехуровневый Nd:GdVO4-лазер на X=456 нм с диодной накачкой / Ю.Д. Заварцев, А.И.Загуменный, Ф. Зероук, С.А. Кутовой, В.А. Михайлов, В.В. Подрешетников, А.А. Сироткин, И.А. Щербаков // Квантовая электроника. 2003. Т.33, №7. С. 651-654.

4. Pulsed blue-light generation by the frequency doubling of the 4F3/2 to 4I9/2 transition in Nd:YAG and Nd:YAlO3 / Y. Luts, D. Rytz, C. Gaudillat // Appl. Phys. B. 2000. № 70, P. 479-482.

5. Generation of 7.6-W blue laser by frequency-tripling of a Nd:YAG laser in LBO crystals / PengHaibo, Hou Wei, Chen Yahui, Cui Dafu, Xu Zuyan // OPTICS EXPRESS. 2006. Vol. 14, No. 9. P. 6543-6549.

6. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2004. 512 с.

7. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике: справочник / Г.Г. Гурзадян, В.Г. Дмитриев, Д.Н. Нигосян. М.: Радио и связь, 1991. 160 с.

SOLID-STATE BLUE LASER BY NONLINEAR FREQUENCY CONVERSION OF 1.34 pm YAG:Nd LASER RADIATION

© 2015 A.O. Schukina1, M.N. Ershkov1, A.V. Gavrilov1, S.A. Solokhin1, S.N. Smetanin2

1 Kovrov State Technological Academy named after V.A. Degtyarev 2 Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow

Solid-state blue-laser generation by nonlinear frequency conversion of the 1.34-pm YAG:Nd-laser is theoretically and experimentally investigated. The 0.446-pm blue radiation is obtained by frequency-tripling technique as the frequency doubling (0.669 pm) with the sum-frequency oscillation (1.34 pm + 0.67 pm). The blue laser pulse output energy of 5 mJ with 50-ns duration and 7 % conversion efficiency is obtained. Key words: blue radiation, Nd:YAG-laser, sum-frequency oscillation.

Anna Schukina, Student. E-mail: anna_shukina92@mail.ru Mikhail Ershkov, Associate Professor at the Laser Physics and Technology Department. E-mail: ershkovm@yandex.ru Andrei Gavrilov, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Vice-Rector on Educational Work and Development. E-mail: gavrilovlft@bk.ru Sergei Solokhin, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Head at the Laser Physics and Technology Department. E-mail: SolokhinS@gmail.com Sergei Smetanin, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Senior Research Fellow. E-mail: ssmetanin@bk.ru