ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 2, с. 191-194
УДК 535
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО Yb:KYW-ЛАЗЕРА
С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ © 2015 г. А. А. Кирпичникова1,2, С. А. Кузнецов1, В. С. Пивцов1,3
E-mail: clock@laser.nsc.ru
Разработана схема высокоэффективного малогабаритного YfrKYW-лазера с многомодовой диодной лазерной накачкой. В непрерывном режиме получены рекордные кпд: дифференциальный — 43.6% и полный оптический — 40%. Получен режим синхронизации мод с частотой повторения импульсов ~400 МГц.
DOI: 10.7868/S036767651502012X
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время оптические синтезаторы частот на основе фемтосекундных лазеров (фем-тосекундные синтезаторы) являются важнейшими блоками прецизионных лазерных систем для измерения абсолютных оптических частот и их стабильности [1—3]. С их помощью также решается проблема переноса частотных характеристик оптических стандартов частоты в радиочастотный диапазон. Для создания мобильных синтезаторов требуются компактные лазеры со стабильными характеристиками. Перспективный вариант такого лазера — фемтосекундный лазер на основе твердотельных сред, допускающих прямую накачку излучением диодных лазеров. Наиболее привлекательны кристаллы, активированные иттербием [4, 5]. Из них калиевые вольфра-маты (КУ(^О4)2:УЬ3+ (К^УЬ) и Каа(^О4)2:УЬ3+ (КСЭДУЬ)) — одни из наиболее перспективных из-за их больших поперечных сечений поглощения и вынужденного излучения, широкой полосы люминесценции и достаточно высокой теплопроводности. Однако коммерческие синтезаторы на основе иттербиевых сред не выпускаются. Известные оптические схемы непригодны для разработки специализированных фемтосекундных лазеров для их использования в прецизионных мобильных системах. Для этого требуются стабильные малогабаритные лазеры с межмодовой частотой более 100 МГц и высоким кпд.
Имеется ряд публикаций результатов исследований иттербиевых лазеров в свободном и фемто-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет".
3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет".
секундном режимах с накачкой диодными лазерами с открытым и волоконным выходом. В основном использовалась многомодовая диодная накачка (см., например, [6—8]). Фемтосекундный режим, как правило, достигался с помощью полупроводникового насыщающегося зеркала SESAM. Лишь в работе [6] получен фемтосекундный режим без SESAM, но режим был очень критичен к настройке резонатора. Исследовали лазеры с частотами повторения импульсов (межмодовой частотой) менее 100 МГц. Лишь в [8] исследовали лазер с частотой повторения импульсов 1 ГГц. Достигнут дифференциальный кпд — 34% при выходной мощности 3.4 Вт (полный оптический кпд - 26%).
Имеются публикации о результатах исследований иттербиевых лазеров с накачкой маломощными одномодовыми диодными лазерами с открытым и волоконным выходом [9-12]. Средняя выходная мощность фемтосекундных иттербиевых лазеров с такой накачкой — от десятков до сотен мВт. Устойчивый режим возникает как с использованием SESAM, так и без него. Лишь с такой накачкой были разработаны компактные фемтосекундные лазеры с частотой повторения импульсов более 1 ГГц и дифференциальным кпд — 69% при выходной мощности 770 мВт (полный оптический кпд — 61%) [11].
Таким образом, достаточно мощные (>1 Вт) иттербиевые лазеры в свободном и фемтосекунд-ном режимах реализованы лишь при накачке многомодовыми диодными лазерами с недифракционной расходимостью излучения. При этом межмодовая частота иттербиевых лазеров, как правило, менее 100 МГц, т.е. их габариты достаточно велики, что неоптимально для разработки мобильных (малогабаритных) лазерных систем. Оптимальные схемы иттербиевых лазеров для их использования в прецизионных малогабаритных лазерных системах (например, в синтезаторах оптических частот) в публикациях не иссле-
Рис. 1. Схема фемтосекундного иттербиевого лазера. 1 — медный кристаллодержатель; 2 — элемент Пельтье; 3, 9, 12 — сферические зеркала; 4 — фокусирующая линза; 5, 6, 10, 11 — GTI-зеркала; 7, 14 — выходные зеркала; 8 — дихроичное зеркало; 13 — полупроводниковое насыщающееся зеркало SESAM.
довались и не рассматривались. При использовании мощных одномодовых лазеров накачки был получен фемтосекундный режим иттербиевого лазера со средней выходной мощностью до 2.2 Вт и частотой повторения импульсов — 1 ГГц [13, 14]. Однако такие лазеры накачки находятся еще в стадии экспериментальных образцов.
Цель настоящей работы — разработка малогабаритных лазеров на иттербиевых кристаллах с накачкой коммерчески доступными диодными источниками с многомодовым выходом для мобильных лазерных систем, которые востребованы в прецизионной спектроскопии, метрологии и навигации, включая спутниковую.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В работе использовали кристалл Yb:KYW размером 6 мм х 6 мм х 1 мм с концентрацией ионов Yb 7%. Излучение накачки направляли по оси с кристалла. В качестве источника накачки использовали излучатель LIMO25-F100-DL980 с много-модовым волоконным выходом. Центральная длина волны излучения составляла 981 нм, максимальная выходная мощность — до 25 Вт, диаметр сердцевины волокна — 105 мкм. Температуру кристалла стабилизировали при помощи элемента Пельтье вблизи 9°С.
Проведенные ранее исследования [15, 16] показали, что при использовании типичных форм резонаторов из-за несимметричного охлаждения в кристалле возникает тепловая линза с сильным астигматизмом, влияние которой существенно уменьшает кпд и не позволяет получить устойчивый режим синхронизации мод. Конструктивно сделать теплоотвод в таких схемах симметрично относительно оси падающего излучения проблематично. Для традиционной Х-образной схемы резонатора мощность генерации составила 0.65 Вт при 5 Вт накачки, т.е. дифференциальный кпд в непрерывном режиме генерации составил 17.4%. При этом минимальная межмодовая частота равнялась 670 МГц. Для получения фемтосекундного режима в резонатор помещалась пара призм или зеркал GTI (Gires-Tournois-Interferometer mirrors) для компенсации дисперсии и насыщающееся полупроводниковое зеркало SESAM, что приводило к увеличению длины резонатора. В результате из-за влияния астигматичной тепловой линзы кристалла порог генерации возрос, а выходная мощность упала в несколько раз. По этой причине и из-за неполной компенсации дисперсии групповых скоростей режим синхронизации мод получить не удалось.
Для устранения астигматизма тепловой линзы нами предложена схема иттербиевого лазера с симметричным охлаждением активной среды (рис. 1).
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО УЪ:КУ^ЛАЗЕРА
193
Мощность генерации, Вт 4.5
Сигнал, дБ -20
- □
- У' 2
3.0 - -40
-
1.5 - -60
-
1 ................ ■ , -80
0 2 4 6 8 10
Поглощенная мощность накачки, Вт
Сигнал, дБ -20
-40
-60
—80 ■Цуур^^
100 120
0.3979 0.3980 0.3981 0.3982 0.3983 Частота, ГГц
П_1_I_I
0.4
0.8
1.2
1.6 2.0
Частота, ГГц
0
Рис. 2. Зависимость мощности непрерывной генерации иттербиевого лазера от поглощенной мощности накачки.
Рис. 3. Спектр излучения на межмодовых частотах в режиме синхронизации мод: полоса обзора 2 ГГц, разрешение 0.3 МГц. Вставка - полоса обзора 0.4 МГц, разрешение 300 Гц.
Для этого на кристалл Yb:KYW (клин 0.5°) с одной стороны наносили диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения ~100% для излучения накачки и генерации, другую сторону просветляли. Кристалл приклеивали к медному теп-лоотводу 1, охлаждаемому с помощью элемента Пельтье 2, который в свою очередь охлаждали водой. Излучение лазера накачки фокусировалось линзой 4 с фокусным расстоянием 35 мм. Резонатор состоял из кристалла Yb:KYW с высокоотра-жающим диэлектрическим покрытием, дихроич-ного зеркала 3 с радиусом кривизны 50 мм, пары зеркал ОТ1 (5 и 6) и выходного зеркала 7 с коэффициентом пропускания 3%. В такой конфигурации дифференциальный кпд составил 39% (максимальная выходная мощность 3.2 Вт при мощности накачки 9.2 Вт, порог генерации 1 Вт) (см. рис. 2, график 1). Плюсом данной схемы является то, что тепловая линза симметрична относительно оси генерации и может быть скомпенсирована изменением расстояния между сферическим зеркалом и кристаллом. Недостаток такой схемы - неоптимальная фокусировка многомодо-вого излучения накачки. Диаметр перетяжек накачки и генерируемого излучения составляли 110 и 40 мкм соответственно. Достигнуть оптимального перекрытия накачки и генерации в такой схеме невозможно.
Предложена схема, где указанный недостаток минимизирован (рис. 1). Для этого в резонатор добавлено плоское отклоняющее зеркало 8 (угол наклона около 45°) с пропусканием излучения накачки ~80% для поляризации по оси а кристал-
ла (Р-поляризация) и менее 0.05% для излучения генерации поляризованного по оси Ь (^-поляризация). Используя сферическое зеркало 9 с радиусом кривизны 150 мм и пару линз 4 с фокусным расстоянием 25 мм, получили диаметр перетяжек накачки и генерируемого излучения порядка 100 и 80 мкм соответственно. В результате дифференциальный кпд вырос до 43.6% (см. рис. 2, график 2). Предельного кпд можно достичь при использовании для такой схемы одномодовой диодной накачки, когда будет реализовано полное перекрытие перетяжек пучков накачки и генерации. Насыщение не наблюдалось до мощности лазера накачки 14 Вт, максимальная выходная мощность при этом составила 5.6 Вт, т.е. полный оптический кпд составил 40% - рекордное достижение при использовании многомодового источника накачки. Следует заметить, что используемый в настоящей работе источник накачки имел круговую поляризацию выходного излучения. При этом ^-поляризация накачки используется неэффективно из-за меньшего поглощения в кристалле (Е || Ь) и невысокого пропускания зеркала, что снижает общий кпд и увеличивает порог генерации. На рис. 2 (графики 3 и 4) приведены за
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.