eng
Выпуск #8/2022
И Яо, Цюань Чжэн, Ян Чжао, Тяньхун Лю
Мощный непрерывный лазер Pr : YLF на длине волны 607 нм
Мощный непрерывный лазер Pr : YLF на длине волны 607 нм
Просмотры: 849
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.592.598
В статье описана работа Pr : YLF-лазера в непрерывном режиме с высокой мощностью на длине волны 607 нм с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами,
излучающими в синем спектральном диапазоне. Максимальная выходная мощность 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт, насыщение выходной мощности достигнуто не было.
В статье описана работа Pr : YLF-лазера в непрерывном режиме с высокой мощностью на длине волны 607 нм с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами,
излучающими в синем спектральном диапазоне. Максимальная выходная мощность 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт, насыщение выходной мощности достигнуто не было.
Мощный непрерывный
лазер Pr : YLF на длине
волны 607 нм с накачкой лазерными диодами
И Яо1, Цюань Чжэн1,2, Ян Чжао1, Тяньхун Лю1,2
Changchun New Industries Optoelectronics
Technology Co., Ltd., Чанчунь, Китайская
Народная Республика
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Китайская академия наук, Чанчунь, Китайская Народная Республика
В статье описана работа Pr : YLF-лазера в непрерывном режиме с высокой мощностью на длине волны 607 нм с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами, излучающими в синем спектральном диапазоне. Максимальная выходная мощность 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт, насыщение выходной мощности достигнуто не было.
Ключевые слова: Pr : YLF-лазер, оптическая накачка, лазерные диодные модули с оптоволоконным выводом
Статья получена: 08.11. 2022
Статья принята: 29.11.2022
1. Введение
С появлением синих диодных лазеров на основе InGaN становятся все более востребованы и лазеры прямой генерации видимого диапазона. Мощные лазеры с длиной волны около 600 нм пользуются большим спросом в таких областях, как биомедицинские приложения [1, 2], лазерные дисплеи [3], обработка металлов [4], оптическая связь [5] и генерация глубокого УФ-излучения [6]. Желто-оранжевые лазеры на основе материалов, легированных Pr, с накачкой лазерными диодами являются наиболее перспективными в данном спектральном диапазоне, что связано с их высокой эффективностью, простотой и низкой стоимостью. Большой интерес представляют такие материалы, как Pr : ZBLAN [7, 8], Pr : YLF [9–11] и Pr : YAP [12–14], так как они обладают большим сечением вынужденного излучения в видимой области. Среди этих материалов наибольший интерес проявлен к кристаллам Pr : YLF, используемым для создания лазеров с длиной волны порядка 600 нм, так как низкая энергия фононов (460 cм–1) приводит к более слабой безызлучательной многофононной релаксации и таким образом к лучшим характеристикам генерации [15]. Однако высокоэффективные оранжевые лазеры с длиной волны 604 нм и 607 нм трудно получить из-за потерь на реабсорбцию (3H4 → 1D2), особенно при накачке массивом лазерных диодов из-за низкого качества пучка накачки. На сегодняшний день самая высокая выходная мощность на длине волны 607 нм на основе кристаллов Pr : YLF составляет 3,7 Вт [16] и имеет невысокую дифференциальную эффективностью порядка 25%.
В этой статье мы демонстрируем возможность масштабирования мощности Pr : YLF-лазера 607 нм с торцевой накачкой синими лазерными диодами с оптоволоконным соединением. Насколько нам известно, демонстрируемая в работе максимальная выходная мощность в 10,58 Вт в непрерывном режиме на длине волны 607 нм является самой высокой на данный момент.
2. Экспериментальная установка
Источники накачки представляют собой два соединенных по оптоволокну модуля синих лазерных диодов. Выходная оптическая мощность каждого составляет около 32 Вт. Диаметр сердцевины волокна составлял 200 мкм, а числовая апертура – 0,22. На рис. 1 показан спектр лазеров накачки при максимальном прямом токе 3,5 А при выходной мощности 3,5 Вт, измеренный USB спектрометром (USB4000 Ocean Optics, Inc.).
Полуширина спектра излучения лазерных диодов составляла порядка 1,5 нм, что достигается внутренним устройством лазерных диодных модулей с оптоволоконным выводом. Как известно, Pr : YLF является поляризационно-поглощающим кристаллом, и соответственно источник накачки с высокой степенью поляризации излучения является преимуществом при генерации лазерного излучения в таких кристаллах. Для достижения высокой степени поляризации в данной работе синий лазер соединен коротким волокном длиной 100 мм и диаметром сердцевины 200 мкм. Таким образом, мы можем получить источник накачки со степенью поляризации 50 : 1, что способствует поглощению и излучению кристалла Pr : YLF. Принципиальная схема экспериментальной установки предлагаемого Pr : YLF-лазера с волоконно-оптическими лазерными модулями накачки показана на рис. 2.
Как показано на рис. 2, кристалл Pr : YLF оптически накачивается через торцы с помощью лазерных модулей и оптической схемы с двумя сферическими двояковыпуклыми линзами с увеличением 1,5 и результирующим диаметром пучка 330 мкм.
Резонатор лазера представляет собой типичный трехзеркальный резонатор L-образной формы с двумя плоскими зеркалами (М2 и М3) и криволинейным зеркалом (М1, радиус кривизны 100 мм). Входное зеркало M1 имеет коэффициент пропускания 97% на длине волны накачки и коэффициент пропускание 50% на длине волны 639 нм для подавления флуктуаций лазерной линии. Зеркало M1 также имеет высокий коэффициент отражение более 99,9% на длине волны 607 нм и представляет собой плосковогнутое зеркало с радиусом кривизны 100 мм. Зеркало M2 является другим входным зеркалом и имеет те же покрытия, что и зеркало M1, за исключением угла падения. Угол падения M1 и M2 составляет 0° и 45° соответственно. Зеркало М3 представляет собой плоское зеркало и работает как выходной ответвитель с коэффициентом пропускания 3% на длине волны 607 нм.
Усиливающая среда лазера представляет собой кристалл Pr : YLF, степень легирования которого составляет 0,1% (атомная доля) с размерами 3 мм × 3 мм × 20 мм. Лазерный кристалл для уменьшения эффекта тепловой линзы был обернут фольгой из индия, а затем заключен в медный корпус. Медный корпус охлаждался водой с помощью чиллера с температурой, установленной на уровне 12 °C. Обе грани лазерного кристалла имеют просветляющее покрытие на длинах волн 444 нм и 607 нм.
3. Результаты и обсуждение
Конфигурация резонатора L-формы с общей физической длиной около 100 мм достигнута путем оптимизации резонатора лазера для достижения максимальной выходной мощности. В расчете исследовались размеры лазерного пучка в зависимости от фокусного расстояния термической линзы, образованной лазерной активной средой. Численный эксперимент был рассчитан с использованием стандартной матрицы ABCD. Результаты представлены на рис. 3. Показано, что размер пятна в Pr : YLF слабо меняется при увеличении мощности накачки.
При уменьшении фокусного расстояния термической линзы лазерного кристалла за счет увеличения мощности накачки лазерный резонатор проявляет тенденцию к нестабильности, и существующая конфигурация лазера может допускать короткое тепловое фокусное расстояние около –35 мм. Размер перетяжки луча внутри лазерного кристалла Pr : YLF составлял около 100 мкм, что сравнимо с размером пучка накачки. Зависимость мощности выходного излучения от мощности накачки представлено на рис. 4. При максимальной мощности накачки 50 Вт выходная мощность составила 10,58 Вт. На рис. 5а представлен спектр полученного лазерного излучения. Положение максимума излучения – 607,2 нм.
Благодаря использованию источников накачки с высокой степенью поляризации, при увеличении мощности накачки наблюдается генерации только на длине волны 607 нм без излучения 604 нм. Кроме того, при излучении на длине волны 604 нм (π-поляризация) эффекты отрицательного теплового линзирования были намного сильнее, чем при излучении на длине волны 607 нм (σ-поляризация), что объясняется более высоким изменением рефракции, соответствующим температуре, а также меньшей компенсацией положительного эффекта теплового линзирования от расширения поверхности. Согласно предыдущим исследованиям, с увеличением мощности накачки тепловые потери на длине волны 604 нм растут быстрее, чем потери на длине волны 607 нм. В процессе оптимизации оптической схемы было обнаружено, что при установке температуры системы водяного охлаждения ниже 19 °C излучение с длиной волны 604 нм гасилось в резонаторе. Предположительно поляризационная накачка и поглощение кристалла Pr : YLF, а также термоиндуцированные потери заставляют источник работать только на длине волны 607 нм.
Для получения лазерного излучения второй гармоники 303 нм, оптическая схема модифицировалась следующим образом. В оптической схеме лазерного излучателя на длину волны 607 нм зеркало M3 заменялось УФ-плоским выходным ответвителем с высоким коэффициентом отражения на длину волны 607 нм и антибликовым покрытием на длину волны 303 нм. Между зеркалами M2 и M3 также вставляется гармоническая пластина. Пластина имеет высокоотражающее покрытие на длину волны 303 нм с одной стороны и просветляющие покрытия на длину волны 607 нм с обеих сторон. В качестве удвоителя частоты выбран кристалл бората бария (BBO) из-за его большого эффективного нелинейного коэффициента, широкой спектральной, угловой и температурной полосы пропускания. Ключевым фактором, влияющим на стабильность выходной мощности УФ-лазера, является температура кристалла BBO. В этом эксперименте мы использовали охладитель Пельтье для контроля температуры кристалла BBO. Стабильность УФ-лазера была достигнута при установке температуры кристалла BBO на уровне 25 °C с точностью до 0,05 °C. Поскольку кристалл ВВО имеет широкий температурный диапазон порядка 55 °C, колебание температуры на 0,05 °C привело к хорошей стабильности – около 3,1% (среднеквадратичное значение) в течение одного часа. Использование кристалла BBO позволило получить УФ-лазер с выходной мощностью 70 мВт на длине волны 303 нм. L-образный резонатор лазерного источника имеет большой размер перетяжки луча для кристалла BBO, что не подходит для генерации волны второй гармоники. Учитывая дальнейшие исследовательские работы, конструкция резонатора должна быть оптимизирована, чтобы удовлетворить требования генерации второй гармоники лазера 607 нм.
4. Вывод
В данной работе представлена оптическая схема Pr : YLF лазера с непрерывным излучением на длине волны 607 нм, накачиваемого двумя синими лазерными диодами, соединенными по оптоволокну, с высоким коэффициентом поляризации. Максимальная выходная мощность источника 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт. Насколько нам известно, это наибольшая выходная мощность, полученная при использовании источников накачки излучающих в синем спектре. Насыщение выходной мощности не наблюдается.
Благодарности
Авторы благодарят компанию «Интех-Рус» и сотрудников Евгения Матузина и Олега Медведева за помощь в подготовке статьи к публикации на русском языке. По техническим вопросам можно обращаться в компанию Интех-Рус по электронной почте info@intech-rus.com.
REFERENCES
R. G. Wheeland. Clinical uses of lasers in dermatology. Lasers Surg. Med. 1995;16 (1): 2–23.
F.A.L’Esperance. Clincal photocoagulation with the organic dye laser: a preliminary communication. Arch. Ophthalmol. 1985;103 (9):1312–1316.
O. Halabi, N. Chiba. Efficient vector-oriented graphic drawing method for laser scanned display. Displays. 2009; 30 (3): 97–106.
лазер Pr : YLF на длине
волны 607 нм с накачкой лазерными диодами
И Яо1, Цюань Чжэн1,2, Ян Чжао1, Тяньхун Лю1,2
Changchun New Industries Optoelectronics
Technology Co., Ltd., Чанчунь, Китайская
Народная Республика
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Китайская академия наук, Чанчунь, Китайская Народная Республика
В статье описана работа Pr : YLF-лазера в непрерывном режиме с высокой мощностью на длине волны 607 нм с накачкой двумя полупроводниковыми лазерными диодами, излучающими в синем спектральном диапазоне. Максимальная выходная мощность 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт, насыщение выходной мощности достигнуто не было.
Ключевые слова: Pr : YLF-лазер, оптическая накачка, лазерные диодные модули с оптоволоконным выводом
Статья получена: 08.11. 2022
Статья принята: 29.11.2022
1. Введение
С появлением синих диодных лазеров на основе InGaN становятся все более востребованы и лазеры прямой генерации видимого диапазона. Мощные лазеры с длиной волны около 600 нм пользуются большим спросом в таких областях, как биомедицинские приложения [1, 2], лазерные дисплеи [3], обработка металлов [4], оптическая связь [5] и генерация глубокого УФ-излучения [6]. Желто-оранжевые лазеры на основе материалов, легированных Pr, с накачкой лазерными диодами являются наиболее перспективными в данном спектральном диапазоне, что связано с их высокой эффективностью, простотой и низкой стоимостью. Большой интерес представляют такие материалы, как Pr : ZBLAN [7, 8], Pr : YLF [9–11] и Pr : YAP [12–14], так как они обладают большим сечением вынужденного излучения в видимой области. Среди этих материалов наибольший интерес проявлен к кристаллам Pr : YLF, используемым для создания лазеров с длиной волны порядка 600 нм, так как низкая энергия фононов (460 cм–1) приводит к более слабой безызлучательной многофононной релаксации и таким образом к лучшим характеристикам генерации [15]. Однако высокоэффективные оранжевые лазеры с длиной волны 604 нм и 607 нм трудно получить из-за потерь на реабсорбцию (3H4 → 1D2), особенно при накачке массивом лазерных диодов из-за низкого качества пучка накачки. На сегодняшний день самая высокая выходная мощность на длине волны 607 нм на основе кристаллов Pr : YLF составляет 3,7 Вт [16] и имеет невысокую дифференциальную эффективностью порядка 25%.
В этой статье мы демонстрируем возможность масштабирования мощности Pr : YLF-лазера 607 нм с торцевой накачкой синими лазерными диодами с оптоволоконным соединением. Насколько нам известно, демонстрируемая в работе максимальная выходная мощность в 10,58 Вт в непрерывном режиме на длине волны 607 нм является самой высокой на данный момент.
2. Экспериментальная установка
Источники накачки представляют собой два соединенных по оптоволокну модуля синих лазерных диодов. Выходная оптическая мощность каждого составляет около 32 Вт. Диаметр сердцевины волокна составлял 200 мкм, а числовая апертура – 0,22. На рис. 1 показан спектр лазеров накачки при максимальном прямом токе 3,5 А при выходной мощности 3,5 Вт, измеренный USB спектрометром (USB4000 Ocean Optics, Inc.).
Полуширина спектра излучения лазерных диодов составляла порядка 1,5 нм, что достигается внутренним устройством лазерных диодных модулей с оптоволоконным выводом. Как известно, Pr : YLF является поляризационно-поглощающим кристаллом, и соответственно источник накачки с высокой степенью поляризации излучения является преимуществом при генерации лазерного излучения в таких кристаллах. Для достижения высокой степени поляризации в данной работе синий лазер соединен коротким волокном длиной 100 мм и диаметром сердцевины 200 мкм. Таким образом, мы можем получить источник накачки со степенью поляризации 50 : 1, что способствует поглощению и излучению кристалла Pr : YLF. Принципиальная схема экспериментальной установки предлагаемого Pr : YLF-лазера с волоконно-оптическими лазерными модулями накачки показана на рис. 2.
Как показано на рис. 2, кристалл Pr : YLF оптически накачивается через торцы с помощью лазерных модулей и оптической схемы с двумя сферическими двояковыпуклыми линзами с увеличением 1,5 и результирующим диаметром пучка 330 мкм.
Резонатор лазера представляет собой типичный трехзеркальный резонатор L-образной формы с двумя плоскими зеркалами (М2 и М3) и криволинейным зеркалом (М1, радиус кривизны 100 мм). Входное зеркало M1 имеет коэффициент пропускания 97% на длине волны накачки и коэффициент пропускание 50% на длине волны 639 нм для подавления флуктуаций лазерной линии. Зеркало M1 также имеет высокий коэффициент отражение более 99,9% на длине волны 607 нм и представляет собой плосковогнутое зеркало с радиусом кривизны 100 мм. Зеркало M2 является другим входным зеркалом и имеет те же покрытия, что и зеркало M1, за исключением угла падения. Угол падения M1 и M2 составляет 0° и 45° соответственно. Зеркало М3 представляет собой плоское зеркало и работает как выходной ответвитель с коэффициентом пропускания 3% на длине волны 607 нм.
Усиливающая среда лазера представляет собой кристалл Pr : YLF, степень легирования которого составляет 0,1% (атомная доля) с размерами 3 мм × 3 мм × 20 мм. Лазерный кристалл для уменьшения эффекта тепловой линзы был обернут фольгой из индия, а затем заключен в медный корпус. Медный корпус охлаждался водой с помощью чиллера с температурой, установленной на уровне 12 °C. Обе грани лазерного кристалла имеют просветляющее покрытие на длинах волн 444 нм и 607 нм.
3. Результаты и обсуждение
Конфигурация резонатора L-формы с общей физической длиной около 100 мм достигнута путем оптимизации резонатора лазера для достижения максимальной выходной мощности. В расчете исследовались размеры лазерного пучка в зависимости от фокусного расстояния термической линзы, образованной лазерной активной средой. Численный эксперимент был рассчитан с использованием стандартной матрицы ABCD. Результаты представлены на рис. 3. Показано, что размер пятна в Pr : YLF слабо меняется при увеличении мощности накачки.
При уменьшении фокусного расстояния термической линзы лазерного кристалла за счет увеличения мощности накачки лазерный резонатор проявляет тенденцию к нестабильности, и существующая конфигурация лазера может допускать короткое тепловое фокусное расстояние около –35 мм. Размер перетяжки луча внутри лазерного кристалла Pr : YLF составлял около 100 мкм, что сравнимо с размером пучка накачки. Зависимость мощности выходного излучения от мощности накачки представлено на рис. 4. При максимальной мощности накачки 50 Вт выходная мощность составила 10,58 Вт. На рис. 5а представлен спектр полученного лазерного излучения. Положение максимума излучения – 607,2 нм.
Благодаря использованию источников накачки с высокой степенью поляризации, при увеличении мощности накачки наблюдается генерации только на длине волны 607 нм без излучения 604 нм. Кроме того, при излучении на длине волны 604 нм (π-поляризация) эффекты отрицательного теплового линзирования были намного сильнее, чем при излучении на длине волны 607 нм (σ-поляризация), что объясняется более высоким изменением рефракции, соответствующим температуре, а также меньшей компенсацией положительного эффекта теплового линзирования от расширения поверхности. Согласно предыдущим исследованиям, с увеличением мощности накачки тепловые потери на длине волны 604 нм растут быстрее, чем потери на длине волны 607 нм. В процессе оптимизации оптической схемы было обнаружено, что при установке температуры системы водяного охлаждения ниже 19 °C излучение с длиной волны 604 нм гасилось в резонаторе. Предположительно поляризационная накачка и поглощение кристалла Pr : YLF, а также термоиндуцированные потери заставляют источник работать только на длине волны 607 нм.
Для получения лазерного излучения второй гармоники 303 нм, оптическая схема модифицировалась следующим образом. В оптической схеме лазерного излучателя на длину волны 607 нм зеркало M3 заменялось УФ-плоским выходным ответвителем с высоким коэффициентом отражения на длину волны 607 нм и антибликовым покрытием на длину волны 303 нм. Между зеркалами M2 и M3 также вставляется гармоническая пластина. Пластина имеет высокоотражающее покрытие на длину волны 303 нм с одной стороны и просветляющие покрытия на длину волны 607 нм с обеих сторон. В качестве удвоителя частоты выбран кристалл бората бария (BBO) из-за его большого эффективного нелинейного коэффициента, широкой спектральной, угловой и температурной полосы пропускания. Ключевым фактором, влияющим на стабильность выходной мощности УФ-лазера, является температура кристалла BBO. В этом эксперименте мы использовали охладитель Пельтье для контроля температуры кристалла BBO. Стабильность УФ-лазера была достигнута при установке температуры кристалла BBO на уровне 25 °C с точностью до 0,05 °C. Поскольку кристалл ВВО имеет широкий температурный диапазон порядка 55 °C, колебание температуры на 0,05 °C привело к хорошей стабильности – около 3,1% (среднеквадратичное значение) в течение одного часа. Использование кристалла BBO позволило получить УФ-лазер с выходной мощностью 70 мВт на длине волны 303 нм. L-образный резонатор лазерного источника имеет большой размер перетяжки луча для кристалла BBO, что не подходит для генерации волны второй гармоники. Учитывая дальнейшие исследовательские работы, конструкция резонатора должна быть оптимизирована, чтобы удовлетворить требования генерации второй гармоники лазера 607 нм.
4. Вывод
В данной работе представлена оптическая схема Pr : YLF лазера с непрерывным излучением на длине волны 607 нм, накачиваемого двумя синими лазерными диодами, соединенными по оптоволокну, с высоким коэффициентом поляризации. Максимальная выходная мощность источника 10,58 Вт достигается при общей мощности накачки 50 Вт. Насколько нам известно, это наибольшая выходная мощность, полученная при использовании источников накачки излучающих в синем спектре. Насыщение выходной мощности не наблюдается.
Благодарности
Авторы благодарят компанию «Интех-Рус» и сотрудников Евгения Матузина и Олега Медведева за помощь в подготовке статьи к публикации на русском языке. По техническим вопросам можно обращаться в компанию Интех-Рус по электронной почте info@intech-rus.com.
REFERENCES
R. G. Wheeland. Clinical uses of lasers in dermatology. Lasers Surg. Med. 1995;16 (1): 2–23.
F.A.L’Esperance. Clincal photocoagulation with the organic dye laser: a preliminary communication. Arch. Ophthalmol. 1985;103 (9):1312–1316.
O. Halabi, N. Chiba. Efficient vector-oriented graphic drawing method for laser scanned display. Displays. 2009; 30 (3): 97–106.
Отзывы читателей
