ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 99-101
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535.8:621.373.8
ИЗМЕРЕНИЕ ПОРОГА ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ И ПАССИВНЫМ
ЗАТВОРОМ В РЕЗОНАТОРЕ © 2009 г. А. Ф. Шаталов, Ф. А. Шаталов
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)
Россия, 117454, Москва, просп. Вернадского, 78 E-mail: afshatalov@yahoo.co.uk Поступила в редакцию 02.02.2009 г.
Предложен способ измерения порога генерации импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой и пассивным затвором в резонаторе по частотно-ваттной характеристике, отражающей зависимость частоты импульсов генерации лазера от поглощенной мощности накачки. Приведены результаты измерения порога генерации лазеров на кристаллах У3А15012:Мё3+ и СазОа20ез012:Мё3+.
РАСЯ: 42.55.Xi, 42.55.Rz, 42.60.Gd
Порог генерации твердотельного лазера (т.т.л.) измеряется обычно по ватт-ваттной характеристике, отражающей зависимость выходной мощности РоШ от поглощенной мощности Р накачки лазера [1]. Дифференциальная эффективность п определяется как тангенс угла наклона линейного участка характеристики РоШ(Р), а порог Рр генерации измеряется по нулевой мощности РоШ прямой РоШ = п(Р - Рр), соответствующей этому линейному участку. Характеристика Рои1(Р) и параметры п и Рр особенно важны для непрерывного лазера. Для импульсного лазера важным условием является обычно высокая стабильность частоты Р (или периода Т = 1/Р) следования импульсов генерации, которая определяется регулярными (детерминированными) и нерегулярными (случайными) изменениями частоты [2].
В случае импульсного т.т.л. с диодной накачкой и пассивным затвором в резонаторе достаточную стабильность можно обеспечить только для частот Р, превышающих некоторую нижнюю ча-
стоту, обусловленную джиттером периода Т [3]. Кроме того, частота Р такого лазера линейно зависит от мощности Р [4]. Учитывая эти особенности импульсного т.т.л. с диодной накачкой и пассивным затвором в резонаторе, в настоящей работе предложено измерять порог его генерации по частотно-ваттной характеристике Р(Р).
Схема измерительной установки приведена на рис. 1. Источник тока 1 модулирует выходную мощность излучения (Хр = 805 нм, А^р = 2 нм) лазерного диода 2 накачки, излучение которого выходит через оптическое волокно 3 (НА = 0.22, йс = = 100 мкм). Микрообъектив 4 фокусирует излучение с выхода волокна 3 на лазерный элемент (л.э.) 5 в пятно диаметром 90 мкм. Входное зеркало (передняя, зачерненная на рис. 1 грань л.э.) и сферическое зеркало 7 (коэффициент пропускания ? = = 0.01, радиус Я = 5 см) образуют резонатор лазера. В резонатор помещен пассивный затвор (насыщающийся поглотитель) 6, выполненный на кристалле YAG:Cr4+, просветленный на длине волны 1.06 мкм и имеющий коэффициент пропускания
7
Рис. 1. Схема измерительной установки. 1 — источник тока; 2 — лазерный диод; 3 — оптическое волокно; 4 — микрообъектив; 5 — л.э.; 6 — пассивный затвор; 7 — выходное сферическое зеркало; 8 — фотоприемник; 9 — осциллограф; 10 — измеритель мощности.
99
7*
100
А. ШАТАЛОВ, Ф. ШАТАЛОВ
Р, кГц
30
20
10
кР=друдР
0 200 400 600 800 1000
Р, мВт
200 400 600 800 1000
Р, мВт
Рис. 2. Частотно-ваттные характеристики импульсных УАО^ё (а) и СООО^ё (б) лазеров.
Роии мВт
70 60 50 40 30 20 10
(а)
Рои , мВт
40
30
20
10
200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000
Р, мВт
Р, мВт
Рис. 3. Ватт-ваттные характеристики импульсных УАО^ё (а) и СООО^ё (б) лазеров.
?= 0.9 при малых интенсивностях падающего на него излучения. Толщина затвора 6 равна 1 мм. В качестве л.э. использовались кристаллы У3Л15012:Ш3+ (УАО:Ш) и Са30а20е3012:ш3+ (СООО^ё). Концентрации ионов Мё3+ в УАО^ё и СООО^ё кристаллах составляли 0.8 х х 1020 см-3 и 2.0 • 1020 см-3, а их толщины равнялись 4.1 мм и 1.5 мм соответственно. Поглощение излучения накачки за один проход в УАО^ё и СООО^ё л.э. было одинаковым и равнялось 80%. Форма, временные параметры, частота, энергия и мощность лазерных импульсов измерялись с помощью фотоприемника 8, осциллографа 9 и измерителя мощности 10.
На рис. 2 показаны частотно-ваттные характеристики импульсных УАО^ё (рис. 2а) и СООО^ё (рис. 2б) лазеров. Из данных рис. 2 следует, что порог Рр генерации такого т.т.л. мож-
но измерять по нулевой частоте Р прямой р = Кр (Р - Рр), соответствующей линейному участку характеристики Р(Р) лазера. Коэффициент Кр, равный тангенсу угла наклона линейного участка частотно-ваттной характеристики, определяет чувствительность частоты Р к изменениям мощности Р. Параметры КР и Рр характеристики Р(Р) определяют стабильность частоты Рследования импульсов генерации т.т.л., а именно: коэффициент Кр определяет величину регулярных (детерминированных) изменений частоты Р при изменениях мощности Р, а от соотношения Рр и Р зависит величина нерегулярных (случайных) изменений частоты Р (при увеличении отношения Р/Рр уменьшается джиттер периода Т импульсов генерации лазера) [2]. Измеренные значения порога РР и коэффициента КР составили для
0
0
ИЗМЕРЕНИЕ ПОРОГА ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
101
YAG:Nd-лазера 340 мВт и 49 кГц/Вт, а для CGGG:Nd-лазера — 290 мВт и 17 кГц/Вт соответственно.
Для сравнения на рис. 3 приведены ватт-ваттные характеристики импульсных YAG:Nd (рис. 3а) и CGGG:Nd (рис. 3б) лазеров. Измеренные значения порога Рр и эффективности п составили для YAG:Nd-лазера 370 мВт и 0.11, а для CGGG:Nd-лазера — 320 мВт и 0.07 соответственно. Значения порогов Рр превышают для рассмотренных лазеров значения соответствующих порогов РР на ~(10—20)%, что лежит в пределах погрешности измерений.
Длительность и энергия генерируемых импульсов составили соответственно 15 нс и 2.1 мкДж дляYAG:Nd-лазера и 11 нс и 3.5 мкДж для CGGG:Nd-лазера.
Таким образом, порог генерации импульсного т.т.л. с диодной накачкой и пассивным затвором в резонаторе можно измерять по частотно-ваттной характеристике, отражающей зависимость частоты следования импульсов генерации лазера от поглощенной мощности накачки. Одновременно
по этой же характеристике можно определять стабильность частоты импульсов генерации т.т.л., что особенно важно в работе последнего.
Авторы благодарят Л.Д. Алексеевского, Ю.В. Коробкина и В.А. Лебедева за обсуждение результатов работы.
Работа частично поддержана государственным контрактом № 5622р/8061, 0120.0805507.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990.
2. Шаталов А.Ф., Беловолов М.И. // Труды Всероссийской научной конференции "Лазеры. Измерения. Информация". (3—5 июня 2008, Санкт-Петербург) / Под ред. В.Е. Привалова. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. P. 74.
3. Shatalov A.F., Belovolov M.I. // Intern. Conf. "Laser Optics 2008". (June 23-28 2008. St.Peterburg, Russia) Paper ThR1-p32. S.Pb.: Istitute for Laser Physics of Vavilov SOI Corporation, 2008. P. 58.
4. Montes M., Heras S., Jaque D. // Optical Materials. 2006. V 28. P. 408.
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.