CC BY
114
УДК 621.3.038.825.2
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ Er3+,Yb3+: YAl3(BO3)4 МИКРОЧИП-ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
11 1 1 2 2 Горбаченя К.Н. , Кисель В.Э. , Ясюкевич А.С. , Кулешов Н.В. ,. Мальцев В.В. , Леонюк Н.И.
'Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий БНТУ
г. Минск, Республика Беларусь 2МГУ им. М. Ломоносова, г. Москва, Российская Федерация
Представлены генерационные характеристики микрочип-лазера на кристалле Er,Yb:YAl3(BO3)4 в режиме пассивной модуляции добротности для применения в дально-метрии. При использовании кристалла Co2+:MgAl2O4 в качестве пассивного затвора максимальная средняя выходная мощность составила 315 мВт на длине волны 1522 нм c длительностью импульсов 5 нс и энергией 5,25 мкДж при частоте следования 60 кГц. (E-mail: gorby@bntu.by)
Ключевые слова: лазер, микрочип, эрбий, дальномер, пассивная модуляция добротности.
Введение
Внимание разработчиков лазерных систем для дальнометрии привлекает излучение спектральной области 1,5-1,6 мкм. Во-первых, оно является сравнительно безопасным для глаз. Такая особенность обусловлена достаточно высоким коэффициентом поглощения в этой области внешних элементов светопреломляющей системы глаза (роговицы и хрусталика), благодаря чему лишь малая доля падающей энергии достигает чувствительной сетчатки. Во-вторых, излучение в области 1,5-1,6 мкм области обладает малыми потерями при прохождении через атмосферу. Сегодня существует ряд лазерных источников, излучающих в спектральной области 1,5-1,6 мкм: диодные лазеры, ВКР-лазеры, параметрические генераторы света. Однако наибольшее практическое распространение получили твердотельные лазеры на основе фосфатных стекол с ионами Er и Yb, отличающиеся относительной простотой, компактностью и возможностью работы в режиме модулированной добротности, необходимом для получения импульсов короткой длительности. На данных активных средах при использовании полупроводниковых зеркал с насыщением поглощения (SESAM) [1], кристаллов Co2+:LaMgAlnÜ19 [2], Co2+:MgAl2O3 [3], Co2+:ZnSe [3] в качестве пассивных затворов эрбиевых микролазеров получены лазерные импульсы с энергией 1-15 мкДж,
длительностью 1,2-10 нс и частотой следования 0,5-30 кГц. Основным недостатком, ограничивающим применение эрбиевых стекол в системах с непрерывной диодной накачкой, является низкая теплопроводность матрицы (теплопроводность фосфатных стёкол составляет 0,85 Вт/м-К). Для снятия таких ограничений актуальным является использование кристаллических матриц для активации ионами Ег и УЬ. На сегодняшний день режим пассивной модуляции добротности реализован на кристаллах Ег,УЬ:УзА15012 [4], Ег,УЬ:ааСа40(В0з)з [5], Ег,УЬ:УУ04 [6], и получены лазерные импульсы с энергией 1-4 мкДж, длительностью 5-150 нс и частотой следования до 29 кГц. В данной работе для повышения эффективности генерации, энергии импульсов и частоты их следования и, как следствие, увеличения предельной дальности измерений расстояний, уменьшения погрешности и сокращения времени измерений в качестве активной среды использовался кристалл УА1з(В0з)4 (УАВ), активированный ионами Ег3* и Yb3+, который характеризуется достаточно высоким значением теплопроводности (7,7 Вт/м-К вдоль оси а и 6,6 Вт/м-К вдоль оси с) [7, 8].
Экспериментальные результаты и обсуждение
Для проведения лазерных экспериментов в непрерывном режиме генерации использовался плоско-параллельный резонатор, состоящий из
входного плоского зеркала 3 с коэффициентом отражения на длине волны генерации R > 99,9 % и коэффициентом пропускания Т > 97 % на длине волны накачки, активного элемента 4 и выходного зеркала с коэффициентом пропускания T = 3 % на длине волны генерации, нанесённого на поверхность активного элемента. Активный элемент 4 - кристалл Ег (1,5 ат. %), Yb(12 ат. %):YAB толщиной 2 мм, вырезанный перпендикулярно оси с, был закреплен на ра-
диаторе с термоэлектрическим охлаждением 5. Накачка осуществлялась InGaAs лазерным диодом 1, излучающим на длине волны около 976 нм, с максимальной мощностью 25 Вт и оптоволоконным выходом (диаметр волокна 105 мкм с числовой апертурой 0,22). Излучение диода коллимировалось и фокусировалось на активном элементе системой 2 из двух линз с фокусными расстояниями 100 и 80 мм (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема установки для лазерных экспериментов в непрерывном режиме генерации: 1 - лазерный диод; 2 - фокусирующая система; 4 - активные элементы; 3 - входное плоское зеркало; 5 - радиатор с термоэлектрическим охлаждением
В непрерывном режиме генерации было получено лазерное излучение с максимальной выходной мощностью 800 мВт на длине волны 1602 нм и дифференциальной эффективностью по отношению к поглощенной мощности накачки 16 % (рисунок 2). При увеличении поглощенной мощности накачки наблюдалось снижение роста выходной мощности лазера, что свидетельствует о сильном влиянии термических эффектов в кристалле. В целях уменьшения влияния термических эффектов в активном элементе были проведены лазерные эксперименты с квазинепрерывной накачкой, для чего в канал накачки вводился механический модулятор со скважностью 20 %. Максимальная пиковая мощность выходного излучения составила 2 Вт на длине волны 1602 нм. Дифференциальная эффективность генерации по поглощенной мощности накачки при этом составила 19 %.
Для проведения лазерных экспериментов в режиме пассивной модуляции добротности в схеме экспериментальной установки входное зеркало было заменено на пассивный затвор. В качестве пассивного затвора использовался кристалл магний-алюминиевой шпинели, легированный ионами кобальта (Co2+:MgAl2O4) толщиной 0,75 мм с начальным пропусканием
98,5 % на длине волны 1520 нм. Входное зеркало было нанесено на поверхность пассивного затвора. Максимальная средняя выходная мощность в режиме пассивной модуляции добротности составила 315 мВт на длине волны 1522 нм и дифференциальной эффективностью по отношению к поглощённой мощности накачки 11 %. Частота следования импульсов варьировалась от 10 до 60 кГц при изменении поглощенной мощности излучения накачки от пороговой (2,7 Вт) до 6,25 Вт (рисунок 3).
0,1 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—г
2 3 4 5 6 7 8
Поглощённая мощность, Вт
Рисунок 2 - Выходная характеристика лазера в непрерывном режиме генерации
Рисунок 3 - Зависимости средней выходной мощности (1) и частоты следования импульсов (2) от поглощенной мощности накачки
Значения длительности и энергии импульсов изменялись в пределах 5-8 нс и 4-5,25 мкДж, соответственно (рисунок 4). Моделирование работы микрочип-лазера на основе балансных уравнений показало вполне удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментально измеренных характеристик выходного излучения.
Рисунок 4 - Зависимости энергии (1) и длительности импульсов (2) от поглощенной мощности накачки
Заключение
Представлен микрочип-лазер на основе кристалла иттрий-алюминиевого бората, со-активированного ионами Ег3+ и УЬ3+. В непрерывном режиме генерации достигнута выходная мощность 800 мВт на длине волны 1602 нм при поглощённой мощности накачки 7,7
Вт. В режиме пассивной модуляции добротности с использованием кристалла Co2+:MgAl2O4 в качестве пассивного затвора получена средняя мощность 315 мВт на длине волны 1522 нм c длительностью импульсов 5 нс и энергией 5,25 мкДж при частоте следования 60 кГц.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения высокочастотных Er,Yb:YAB микрочип-лазеров в составе портативных лазерных дальномеров, работающих в условно безопасном спектральном диапазоне 1,5-1,6 мкм по методу накопления отраженных сигналов.
Список использованных источников
1. Fluck, R. Eyesafe pulsed microchip laser using semiconductor saturable absorber mirrors / R. Fluck, R. Haring, R. Pascotta [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 1998. - Vol. 72, № 25. - P. 32733275.
2. Thony, Ph. 1.55 дт passive Q-switched microchip laser / Ph. Thony, B. Ferrand, E. Molva // OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. - 998. - Vol. 19. - P. 150.
3. Kisel, V.E. Passive Q switches for a diode-pumped
erbium glass laser / V.E. Kisel, V.G. Shcherbitskii [et al.] // Quantum Electronics - 2005. - Vol. 35, № 37. - P. 611-614.
4. Georgiou, E. 1.65-^m Er,Yb:YAG diode-pumped
laser delivering 80-mJ pulse energy / E. Georgiou [et al.] // Opt. Engineering - 2005. - Vol. 44, № 6. - P. 064202.
5. Hellstrom, J. Passive Q-switching at 1,54 ^m of an
Er,Yb: GdCa4O(BO3)3 laser with a Co2+:MgAl2O4 saturable absorber / J. Hellstrom, G. Karlsson, V. Pasiskevicius [et al.] // Appl. Phys. B. - 2005. -Vol. 81, № 1. - P. 49-52.
6. Tolstik, N.A. Spectroscopy, continuous-wave and Q-switched diode-pumped laser operation of Er,Yb:YVO4 crystal / N.A. Tolstik, A.E. Tro-shin, S.V. Kurilchik [et al.] // Appl. Phys. B. -2007. - Vol. 86, № 2. - P. 275-278.
7. Tolstik, N.A. Er,Yb:YAl3(BO3)4-efficient 1.5 ^m laser crystal / N.A. Tolstik, V. E. Kisel, N. V. Ku-leshov [et al.] // Appl. Phys. B. - 2009. - Vol. 97. -P. 357-362.
8. Tolstik, N.A. Excited state absorption, energy levels, and thermal conductivity of Er3+:YAB / N.A. Tolstik, G. Huber, V.V. Maltsev [et al.] // Appl. Phys. B. - 2008. - Vol. 92. - P. 567571.
Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Leonyuk N.I.
High repetition rate microchip Er3+,Yb3+:YAl3(BO3)4 diode-pumped laser
Diode-pumped passively Q-switched microchip Er,Yb:YAl3(BO3)4 laser for range-finding has been demonstrated. By using a Co2+:MgAl2O4 as a saturable absorber TEM00-mode Q-switched average output power of 315 mW was demonstrated at 1522 nm with pulse duration of 5 ns and pulse energy of 5,25 ^J at a repetition rate of 60 kHz. (E-mail: gorby@bntu.by)
Key words: laser, microchip, erbium, range finder, passively q-switched.
Поступила в редакцию 26.07.2012.
