ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОЧАСТОТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОЧАСТОТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ …
9 ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.373.826
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОЧАСТОТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
М.В. Иночкин, В.В. Назаров, Д.Ю. Сачков, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов, Н.А. Федоров
Исследована генерация Er:YLF-лазера на длинах волн 2,66 мкм, 2,71 мкм и 2,81 мкм в импульсно-периодическом режиме при селективной накачке излучением лазерных диодов на длине волны 0,98 мкм. Наблюдается существенное изменение задержек начала генерации на отдельных длинах волн в зависимости от частоты следования импульсов накачки, а также прекращение генерации на длинах волн 2,66 мкм и 2,71 мкм с увеличением частоты следования
импульсов. Предложен метод управления спектром лазерной генерации за счет изменения длительности и частоты следования импульсов накачки. Ключевые слова: эрбиевый лазер, диодная накачка, многочастотная генерация, импульсно-периодический режим.
Введение
Лазеры, излучающие в области 3 мкм, перспективны для применений в медицине, так как в данном диапазоне длин волн располагается один из основных максимумов поглощения воды. Среди лазеров трехмикронного диапазона наибольшее распространение получили лазеры на кристаллах, активированных ионами Er3+ [1–3]. Вследствие расщепления энергетических уровней иона Er3+ в кристаллическом поле длина волны генерации таких лазеров может варьироваться в довольно широких пределах [4–5]. Например, в среде Er:YLF в неселективном резонаторе может быть получена генерация на длинах волн 2,66; 2,71; 2,81 и 2,84 мкм [5]. Коэффициент поглощения воды для этих длин волн может изменяться в пределах нескольких порядков. Таким образом, изменение длины волны генерации эрбиевого лазера позволяет существенно влиять на параметры взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями. В настоящей работе проведено исследование изменения спектра генерации Er:YLF-лазера с диодной накачкой в зависимости от параметров накачки при импульсно-периодическом режиме работы лазера.
Модель многочастотной генерации Er:YLF-лазера
В работе [5] была предложена модель для описания свободной генерации эрбиевых лазеров в области 3 мкм, основанная на использовании усредненных населенностей верхнего (N2) и нижнего (N1) лазерных уровней. В данной работе эта модель развита для случая импульсно-периодического режима работы лазера, что потребовало учета процессов апконверсии с нижнего (4I13/2) и с верхнего (4I11/2) лазерных уровней. В этом случае для усредненных населенностей лазерных уровней N2 и N1 можно записать следующую систему балансных уравнений:
dN2
dt dN1
dt
g (,t)S g (,t)S
N2 ( A21
A20
W21)
1 N12
2
N
2 2
N1 A10 ( A21 W21)N2 21N12 ,
R(t);
(1)
где
A mn
–
скорость
спонтанного
излучательного
перехода
между
уровнями
m
и
n;
Wmn
–
скорость
спонтан-
ного безызлучательного перехода; R(t) – скорость накачки; 2 – коэффициент апконверсии с верхнего ла-
зерного уровня; 1 – коэффициент апконверсии с нижнего лазерного уровня; S – усредненная плотность
потока фотонов в резонаторе; g (,t) (e()N2 a ()N1) – показатель усиления на длине волны ;
e() – сечение вынужденного излучения; a() – сечение поглощения из возбужденного состояния. На различных стадиях работы лазера величина относительного вклада процессов релаксации в из-
менение усредненных населенностей лазерных уровней N1(t) и N2(t) может существенно изменяться. На сравнительно малом промежутке времени, после включения накачки и до начала генерации, основное значение имеет скорость накачки, а релаксационными и, тем более, нелинейными слагаемыми в системе уравнений (1) можно пренебречь. При этом, в отличие от режима одиночных импульсов, в импульснопериодическом режиме необходимо учитывать конечную населенность лазерных уровней в начале очередного импульса накачки уже при частоте следования импульсов в десятки герц, поскольку времена релаксации верхнего (4I11/2) и нижнего (4I13/2) лазерных уровней (4 и 10 мс соответственно, [6]) становятся сравнимы с периодом повторения импульсов.
112
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.В. Иночкин, В.В. Назаров, Д.Ю. Сачков, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов, Н.А. Федоров
Из условия порога генерации g (,t) () можно получить зависимость задержки начала генерации от начальных населенностей лазерных уровней в виде
td ()
() e ()R
1 F ()
1
N10 R
N20 R
,
где, как и в [5], введен нормированный безразмерный спектральный форм-фактор
(2)
F() e () 1 ,
e () a ()
1
Zu Zl
exp
hc kT
1
1 0
(3)
где Zu и Zl – числа заполнения для верхнего (4I11/2) и нижнего (4I13/2) лазерных уровней; k – постоянная Больцмана; T – температура; 0 – длина волны перехода между самыми нижними подуровнями штарковской структуры уровней 4I11/2 и 4I13/2.
Из уравнения (3) следует, что функция F() является монотонно возрастающей функцией длины
волны и изменяется в диапазоне 0
9 ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.373.826
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОЧАСТОТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
М.В. Иночкин, В.В. Назаров, Д.Ю. Сачков, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов, Н.А. Федоров
Исследована генерация Er:YLF-лазера на длинах волн 2,66 мкм, 2,71 мкм и 2,81 мкм в импульсно-периодическом режиме при селективной накачке излучением лазерных диодов на длине волны 0,98 мкм. Наблюдается существенное изменение задержек начала генерации на отдельных длинах волн в зависимости от частоты следования импульсов накачки, а также прекращение генерации на длинах волн 2,66 мкм и 2,71 мкм с увеличением частоты следования
импульсов. Предложен метод управления спектром лазерной генерации за счет изменения длительности и частоты следования импульсов накачки. Ключевые слова: эрбиевый лазер, диодная накачка, многочастотная генерация, импульсно-периодический режим.
Введение
Лазеры, излучающие в области 3 мкм, перспективны для применений в медицине, так как в данном диапазоне длин волн располагается один из основных максимумов поглощения воды. Среди лазеров трехмикронного диапазона наибольшее распространение получили лазеры на кристаллах, активированных ионами Er3+ [1–3]. Вследствие расщепления энергетических уровней иона Er3+ в кристаллическом поле длина волны генерации таких лазеров может варьироваться в довольно широких пределах [4–5]. Например, в среде Er:YLF в неселективном резонаторе может быть получена генерация на длинах волн 2,66; 2,71; 2,81 и 2,84 мкм [5]. Коэффициент поглощения воды для этих длин волн может изменяться в пределах нескольких порядков. Таким образом, изменение длины волны генерации эрбиевого лазера позволяет существенно влиять на параметры взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями. В настоящей работе проведено исследование изменения спектра генерации Er:YLF-лазера с диодной накачкой в зависимости от параметров накачки при импульсно-периодическом режиме работы лазера.
Модель многочастотной генерации Er:YLF-лазера
В работе [5] была предложена модель для описания свободной генерации эрбиевых лазеров в области 3 мкм, основанная на использовании усредненных населенностей верхнего (N2) и нижнего (N1) лазерных уровней. В данной работе эта модель развита для случая импульсно-периодического режима работы лазера, что потребовало учета процессов апконверсии с нижнего (4I13/2) и с верхнего (4I11/2) лазерных уровней. В этом случае для усредненных населенностей лазерных уровней N2 и N1 можно записать следующую систему балансных уравнений:
dN2
dt dN1
dt
g (,t)S g (,t)S
N2 ( A21
A20
W21)
1 N12
2
N
2 2
N1 A10 ( A21 W21)N2 21N12 ,
R(t);
(1)
где
A mn
–
скорость
спонтанного
излучательного
перехода
между
уровнями
m
и
n;
Wmn
–
скорость
спонтан-
ного безызлучательного перехода; R(t) – скорость накачки; 2 – коэффициент апконверсии с верхнего ла-
зерного уровня; 1 – коэффициент апконверсии с нижнего лазерного уровня; S – усредненная плотность
потока фотонов в резонаторе; g (,t) (e()N2 a ()N1) – показатель усиления на длине волны ;
e() – сечение вынужденного излучения; a() – сечение поглощения из возбужденного состояния. На различных стадиях работы лазера величина относительного вклада процессов релаксации в из-
менение усредненных населенностей лазерных уровней N1(t) и N2(t) может существенно изменяться. На сравнительно малом промежутке времени, после включения накачки и до начала генерации, основное значение имеет скорость накачки, а релаксационными и, тем более, нелинейными слагаемыми в системе уравнений (1) можно пренебречь. При этом, в отличие от режима одиночных импульсов, в импульснопериодическом режиме необходимо учитывать конечную населенность лазерных уровней в начале очередного импульса накачки уже при частоте следования импульсов в десятки герц, поскольку времена релаксации верхнего (4I11/2) и нижнего (4I13/2) лазерных уровней (4 и 10 мс соответственно, [6]) становятся сравнимы с периодом повторения импульсов.
112
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.В. Иночкин, В.В. Назаров, Д.Ю. Сачков, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов, Н.А. Федоров
Из условия порога генерации g (,t) () можно получить зависимость задержки начала генерации от начальных населенностей лазерных уровней в виде
td ()
() e ()R
1 F ()
1
N10 R
N20 R
,
где, как и в [5], введен нормированный безразмерный спектральный форм-фактор
(2)
F() e () 1 ,
e () a ()
1
Zu Zl
exp
hc kT
1
1 0
(3)
где Zu и Zl – числа заполнения для верхнего (4I11/2) и нижнего (4I13/2) лазерных уровней; k – постоянная Больцмана; T – температура; 0 – длина волны перехода между самыми нижними подуровнями штарковской структуры уровней 4I11/2 и 4I13/2.
Из уравнения (3) следует, что функция F() является монотонно возрастающей функцией длины
волны и изменяется в диапазоне 0