Создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик

Создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик

Введение

Твердотельные лазеры, излучающие в двухмикронной области спектра, нашли практическое применение в медицине, химии и технологии дистанционного зондирования, а также в лазерных измерительных системах. Лазеры на основе кристаллов, активированных ионами Tm3+, представляют особый интерес, т. к. при полупроводниковой накачке может быть реализована высокая эффективность преобразования излучения накачки в лазерное излучение.

В настоящей работе исследованы спектрально-люминесцентные характеристики иона тулия в кристалле ортоалюмината иттрия и наблюдалась генерация вынужденного излучения кристалла YAlO3, активированного тулием. Достаточно полно исследованы лазерные системы на кристалле Tm:YLF. Достоинством матрицы YLiF4 является отрицательная зависимость показателя преломления от температуры, что используется для частичной компенсации тепловой линзы, возникающей под действием накачки. Недостатком является большое время жизни ионов Tm3+ на верхнем уровне рабочего перехода, вследствие чего лазер на кристалле Tm:YLF работает в пичковом режиме генерации. Это ограничивает чувствительность методов лазерной спектроскопии с использованием данной среды. В кристалле YAlO3 время жизни ионов Tm3+ в возбужденном состоянии в несколько раз меньше [5], поэтому имеется возможность получения стационарного режима генерации.

Целью данной работы являлось создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик.

1. Активная среда

.1 Схема накачки Tm3+

+ относится к группе редкоземельных элементов, оптические переходы Tm3+ происходят в 4f-оболочке. Распределение электронов в ионе Tm3+ такое: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 2p6 4d10 4f12 5s2 5p6.

Рассмотрим схему накачки Tm3+, находящегося в диэлектрическом кристалле. После того, как ион Tm3+ получил квант энергии накачки и перешел на уровень 3F4, он может оказаться на верхнем лазерном уровне 3H4 в результате одного из следующих процессов:

Безызлучательный переход 3F4 → 3H5 и безызлучательный переход 3H5 → 3H4

Излучательный переход 3F4 → 3H5 и безызлучательный переход 3H5 → 3H4

Излучательный переход 3F4 → 3H4

Кросс-релаксационный процесс: ион Tm3+, который перешел с уровня 3F4 на уровень 3H4, может отдать часть своей энергии соседнему иону Tm3+, находящемуся на основном уровне 3H6, и в результате оба иона окажутся на верхнем лазерном уровне 3H4. Этот процесс хорошо работает, если концентрация Tm3+ достаточно высокая.

Далее, переход 3H4 → 3H6 иона Tm3+ дает лазерную генерацию.

Рис.1. Нижние энергетические уровни Tm3+ в кристалле. Показаны переход накачки, излучательные и безызлучательные переходы, кросс-релаксационный процесс.

Табл.1. Сравнительные характеристики матриц Tm: YAP и Tm: YLF.

Достоинством матрицы YLF является отрицательная зависимость показателя преломления от температуры. Данная зависимость компенсирует влияние положительной линзы возникающей вследствие поперечного градиента температурного расширения кристалла под действием излучения накачки. В матрице YAP  складываются, поэтому тепловая линза будет оказывать более сильное влияние на генерационные характеристики лазера.

На Рис.2. представлена зависимость фокусного расстояния тепловой линзы от мощности накачки. Видно, что с увеличением мощности накачки оптическая сила тепловой линзы возрастает. Величина тепловой линзы накладывает ограничение на длину резонатора. Если расстояние между одним из зеркал резонатора и серединой кристалла будет больше величины тепловой линзы, то резонатор станет неустойчивым. Устойчивость конфигурации используемого в эксперименте резонатора с внутрирезонаторной тепловой линзой характеризуется параметрами:

,

где d2,1 - расстояния между зеркалом и серединой кристалла. Если d1 зафиксировать, то при значениях d2 больше fт.л. произведение g1,2 станет меньше нуля и резонатор станет неустойчивым. Неустойчивость означает, что световые лучи при последовательном отражении от зеркал удаляются от осирезонатора, что приводит к возрастанию дифракционных потерь и должно сопровождаться снижением эффективности генерации.

Рис.2. Зависимость фокусного расстояния тепловой линзы от мощности накачки.

Преимуществом матрицы YAP является меньшее время жизни на верхнем уровне 3H4 лазерного перехода, что может обеспечить большую временную стабильность мощности генерации.

.2 Основные характеристики кристалла

: Tm3+ является двухосным анизотропным кристаллом, имеет положительную зависимость показателя преломления от температуры, что должно сказаться на большей величине наводимой накачкой тепловой линзе, по сравнению с матрицей YLF. Основные характеристики приведены в таблице 2.

Табл.2. Основные характеристики кристалла.

Поскольку кристалл анизотропный, то он имеет по трем кристаллографическим осям разные оптические и тепловые характеристики (показатель преломления, температурная зависимость показателя преломления и др.). Из литературных данных [1] известны оптические и генерационные характеристики для кристалла, вырезанного перпендикулярно оси c. В нашем распоряжении имелся кристалл, вырезанный в форме цилиндра предположительно поперек оси b. Продольная ось цилиндра лежала в плоскости осей a,c.

.3 Спектр пропускания

Для исследования спектральной зависимости пропускания кристалла была собрана экспериментальная установка Рис.3.

Рис.3. Экспериментальная установка для измерения спектра пропускания: 1 - галогенная лампа, 2 - линза, 3 - световодное волокно с фокусирующей системой, 4 - линейный поляризатор Глана, 5 - прерыватель, 6 - монохроматор, 7 - фотодиод, 8 - образец кристалла.

Излучение галогенной лампы (1) мощностью 12 Вт собиралось линзой (2) и направлялось в оптический световод с фокусирующей системой (3). Затем световой пучок диаметром 2 мм проходил через линейный поляризатор Глана (4) и попадал на торец образца кристалла (8). Далее излучение попадало на входную щель монохроматора МДР-2 (6) с дифракционной решеткой 600 штрихов/мм. Оптический сигнал с выходной щели монохроматора принимался фотоприемником (7). Излучение модулировалось прерывателем (5) с частотой модуляции 279 Гц. Спектр поглощения зависит от поляризации проходящего излучения. Максимальный коэффициент поглощения наблюдался на длинах волн 769 нм и 787 нм (Рис.4.). Для ортогональной поляризации значительно меньше.

Рис.4. Спектр пропускания Tm:YAP.

Длина волны диодной линейки подбиралась исходя из максимального коэффициента поглощения излучения, проходящего через кристалл. Из Рис.5. видно, что минимум пропускания соответствует температуре линейки в 18° С.

Рис.5. Температурная характеристика лазерной линейки

.4 Спектр люминесценции

Для исследования спектральной зависимости люминесценции кристалла была собрана экспериментальная установка Рис.6.

Рис.6. Экспериментальная установка для измерения спектра люминесценции: 1 - линейка лазерных диодов, 2 - световодное волокно, 3 - фокусирующая система, 4 - прерыватель, 5 - линза, 6 - монохроматор, 7 - фотодиод, 8 - образец кристалла.

Образец кристалла (8) накачивался излучением диодной линейки (1) с волоконным выходом (диаметр 400 мкм). Система линз (3) фокусировала излучение пучка накачки в пятно диаметром 400 мкм в кристалл (8). Люминесценция образца фокусировалась линзой (5)с фокусным расстоянием f = 3,5 см на входную щель монохроматора МДР-42 (6)(решетка 600 штрихов/мм). За выходной щелью монохроматора устанавливался PbS фотодиод (7) (PDA30G, область спектральной чувствительности 1-3 мкм). Сигнал с фотодиода подавался на селективный нановольтметр. Излучение модулировалось прерывателем (4) с частотой модуляции 590 Гц. Спектр люминесценции был измерен для трех случаев: неполяризованное излучение, для двух ортогональных поляризаций. Для этого перед входной щелью монохроматора ставилась поляризационная призма Глана. В полученном спектре можно выделить три линии с наибольшей интенсивностью, максимумы которых соответствуют длинам волн 1790 нм, 1855 нм и 1935 нм. (Рис.7.).

Рис.7. Спектр люминесценции Tm:YAP.

2. Исследование генерационных характеристик лазера (эксперимент)

.1 Штарковское расщепление основного и возбужденных состояний

Электронные энергетические уровни иона Tm3+ в кристаллической решетке YAP расщепляются на штарковские подуровни и сдвигаются под действием внутрикристаллического поля. Штарковские подуровни уровней энергии 3H6, 3H4, 3H5 и 3F4, показанные в табл. 3, взяты из [2]. Также приведены соответствующие им коэффициенты заселенности, рассчитанные по формуле: 

 , где .

Табл.3. Энергии и заселенности штарковских подуровней.

Используя значения энергий штарковских уровней (Табл.3.) были вычислены величины энергий и длин волн, возможных излучательных переходов между 3H4 →3H6 (Табл.4., Рис.8.).

Табл.4. Квантовые переходы излучения.

Проводилось сравнение измеренных спектров люминесценции с длинами волн излучательных переходов. Для основных максимумов, наблюдаемых в спектре люминесценции, были отождествлены следующие переходы: X5 - 1798 нм, X10 - 1867 нм, X1 - 1929 нм. Рис.8. был построен исходя из предположения, что в возбужденном состоянии 3Н4 в основном заселены два нижних штарковских подуровня с энергиями 5624, 5627 см-1. Эти подуровни являются стартовыми в излучательных переходах. Генерацию возможно получить на переходах, для которых наименьшие потери связанные с поглощением. Согласно температурному заселению штарковских подуровней состояния 3Н6 нижним уровнем лазерного перехода должен являться уровень с энергией 440 см-1.

.2 Схема установки

Для исследования генерационных характеристик лазера была собрана экспериментальная установка Рис.9.Накачка осуществлялась лазерной диодной линейкой с волоконным выходом FAP800 (1). Кристалл YAlO3: Tm3+устанавливался в медный корпус, температура которого регулировалась в диапазоне 10° - 24° С с помощью элемента Пельтье.

Рис.9. Схема эксперимента: 1 - линейка лазерных диодов, 2 - оптическое волокно, 3 - фокусирующая система, 4 - дихроичное зеркало, 5 - выходное зеркало, 6 - фильтрующее зеркало, 7 - измеритель мощности, 8 - экран, 9 - диафрагма, 10 - образец кристалла.

Излучение накачки фокусировалось системой линз (3), обеспечивающей перенос изображения в соотношении 1:1 с торца волокна (пятно диаметром 400 мкм) в кристалл Tm:YAP. Резонатор лазера образован дихроичным зеркалом (4) (T = 91% на длине волны 790 нм; T = 0,1% на длине волны 1,9 мкм) и выходным зеркалом (5)(T = 23% на длине волны генерации). Диафрагма (9) служила для экранирования части пучка накачки. Фильтрующее зеркало (6) отражало излучение накачки и пропускало излучение генерации.

.3 Зависимость мощности генерации от мощности накачки

На Рис.10. представлена зависимость выходной мощности генерации лазера от мощности накачки для трех длин резонатора. Длина резонатора изменялась увеличением расстояния между входным зеркалом и торцом кристалла.

Рис.10. Зависимость мощности генерации от мощности накачки.

Выходная мощность лазерного излучения при максимальной мощности накачки составляет 1,54 Вт (Рис.10.). Полный КПД составил 7%, а дифференциальный - 12%. С увеличением длины резонатора порог генерации возрастал, а выходная мощность уменьшалась.

.4 Спектр генерации

Спектр генерации измерялся на экспериментальной установке Рис.11. Излучение генерации фокусировалось линзой (12) на входную щель монохроматора МДР-41 (14). За выходной щелью монохроматора устанавливался PbS фотодиод (15). Излучение модулировалось прерывателем (13) с частотой модуляции 287 Гц.

Рис.11.Схема эксперимента: 1 - линейка лазерных диодов, 2 - оптическое волокно, 3 - фокусирующая система, 4 - дихроичное зеркало, 5 - выхдное зеркало, 6 - фильтрующее зеркало, 7,8 - зеркала, 9 - диафрагма, 10 - экран, 11 - измеритель мощности, 12 - линза (f = 3,5 см.), 13 - прерыватель, 14 - монохроматор, 15 - фотоприемник, 16 - образец кристалла.

Спектры генерации, полученные для двух длин резонатора, представлены на Рис. 12, 13.Изменялось расстояние между глухим зеркалом и торцом кристалла. На Рис.12. можно увидеть крупномасштабную селекцию ∆λ1 = 1,3 нм и мелкомасштабную селекцию ∆λ2 = 0,3 нм. На Рис.13. при расстоянии между «глухим» зеркалом и торцом кристалла 7,5 мм мелкомасштабные селекции не наблюдаются. Расстояние между максимумами составляет величину ∆λ1 = 1,1 нм. Наблюдаемую спектральную зависимость можно объяснить селектирующим действием двух воздушных интерферометров Фабри-Перо. Один, из которых образован торцом кристалла и «глухим» зеркалом, а другой - торцом кристалла и выходным зеркалом. Зная интервалы ∆λ1 и ∆λ2, были посчитаны по формуле  , расстояния L1и L2, на которых они проявляются.

Рис.12. Спектр генерации Tm:YAP (Lрез = 15 мм)

Рис.13. Спектр генерации Tm:YAP (Lрез = 21 мм)

Генерация лазера происходила в диапазоне длин волн 1930 - 1942 нм, на краю спектра люминесценции (Рис.7.). Возможно это связано с тем, что генерация лазера осуществляется в свободном от линий поглощения воды диапазоне. Наблюдаемый диапазон генерации определяется спектральными характеристиками зеркал резонатора, а так же тем, что на длинах волн короче 1930 нм находятся линии поглощения паров атмосферной воды. Действительно данный спектральный диапазон, как было предположено в разделе 3.1., соответствует переходам X1,X7. Степень элиптичности генерации имеет величину - 11,8, а люминесценции - 2,3.

.5 Временные характеристики

Для изучения временных характеристик лазера была исследована временная структура импульсов генерации. Для этого лазерное излучение направлялось на фотодиод (15), с временным разрешением 20 нс, подключенным к осциллографу Tektronix TDF2024. Для модуляции излучения Tm:YAP лазера перед фотоприемником вставлялся прерыватель. Прерыватель позволяет на экране осциллографа регистрировать нулевой уровень сигнала (положение развертки).

Вблизи порога, генерация имела пичковый характер (Рис.14.а). Длительность отдельного пичка по уровню 0,5 имеет величинуτимп = 4,5 мкс (Рис.15.). При повышении мощности накачки амплитуда осцилляций уменьшается, и лазер выходит в стационарный режим генерации. (Рис.14. б, в).

           (а)                           (б)          

                (в)

Рис.14. Временные характеристики генерации.

Рис.15. Пичковый режим генерации.

3. Требования по технике безопасности при проведении экспериментов

К экспериментальным и исследовательским работам на установке допускаются лица не моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний для работы с лазерами, изучившие настоящую инструкцию.

Перед допуском к работе с лазерами обслуживающий персонал должен быть обучен безопасным приемам и методам работы, ознакомлен со всеми источниками опасности, отключающими элементами, защитными средствами. Повторный периодический инструктаж должен проводиться не реже одного раза в три месяца.

В случае пользования электроприборами с переменным напряжением питания выше 42В, или переменным напряжением 110В, в сухом помещении необходимо надевать защитные резиновые перчатки, а под ноги положить изоляционный коврик.

Работа на установке должна проводиться в составе не менее двух человек.

Обнаружившие неисправность оборудования и защитных средств обязаны предупредить об этом работающих и руководителя группы.

Запрещается:

Осуществлять наблюдение без средств индивидуальной защиты глаз.

Направлять в сторону рабочих мест излучение ОКГ.