ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ ВТОРУЮ СТОКСОВУ КОМПОНЕНТУ, КАК ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА АТОМАРНОМ ЙОДЕ
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ТЕХНИКА
УДК 621.373.826
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ ВТОРУЮ СТОКСОВУ КОМПОНЕНТУ, КАК ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА АТОМАРНОМ ЙОДЕ
© 2014 г.
В. И. Анненков**, канд. техн. наук; П. С. Иванов*, студент; С. Г. Гаранин**, доктор физ.-мат. наук; Н. А. Калмыков**; И. В. Мочалов*, доктор физ.-мат. наук; А. В. Сандуленко*, канд. физ.-мат. наук; С. В. Сандыга*, студент
*Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
**Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Российский федеральный ядерный центр, г. Саров, Нижегородская обл.
E-mail: Al_sand@mail.ru
Рассмотрены различные варианты создания задающего лазерного излучателя на длине волны 1,315 мкм и выбрана оптимальная схема его построения, основанная на получении эффективного излучения второй стоксовой компоненты в твердотельном лазере на вынужденном комбинационном рассеянии. Проведен анализ активных кристаллов и предложены две твердотельные пары: лазерный кристалл Gd3Ga5O12:Nd + кристалл KY(WO4)2 и лазерный кристалл LaF3:Nd + кристалл KGd(WO4)2. Рассмотрен вариант схемы с уменьшенными потерями на стоксовых компонентах с одновременным подавлением паразитного сброса инверсии на переходе неодима в области 1,3 мкм. Получено усиление лазерного сигнала в каскаде предварительного усиления на парах йода, коэффициент усиления составил 150, получена выходная энергия до 60 мДж.
Ключевые слова: лазер на вынужденном комбинационном рассеянии, задающий генератор, усилитель на атомарном йоде.
Коды OCIS: 140.3550
Поступила в редакцию 22.07.2013
Целью настоящей работы явилось создание
твердотельного лазера, предназначенного для
применения в качестве задающего генератора
для системы усилителей на атомарном йоде
с длиной волны генерации 1,3152 мкм.
Наиболее простым решением поставлен-
ной задачи могла явиться разработка лазе-
ра, генерирующего на длине волны дополнительного перехода иона неодима 4F3/2 → 4I13/2 (λ ≈ 1,3 мкм). Наиболее близко к искомой дли-
не волны λ ≈ 1,3152 мкм лежат длины волн ге-
нерации кристаллов CeF3:Nd (λ ≈ 1,313 мкм) и SrF2-LaF3:Nd (λ ≈ 1,316 мкм) [1]. Однако,
во-первых, эти генерационные переходы про-
исходят при температуре жидкого азота
(≈77 K) [1] и, во-вторых, поперечное сечение
вынужденного излучения этих переходов иона
неодима в 3–3,5 раза меньше, чем у "основного” перехода 4F3/2 → 4I11/2. Поэтому одна из основных трудностей получения генерации на
этом переходе связана с проблемой возможного
сброса инверсии населенности метастабильного уровня 4F3/2 за счет суперлюминесценции на основном переходе 4F3/2 → 4I11/2. При масштабировании такого лазера в область бóльших выходных энергий, а значит и больших энергий
10 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
накачки, эта проблема становится труднопреодолимой. К тому же из всей совокупности содержащих неодим лазерных сред [1] ни одна не обеспечивает генерацию на длине волны 1,3152 мкм.
Другой возможностью получения генерации на λ ≈ 1,3152 мкм могла бы явиться разработка лазера с использованием параметрического преобразования. Однако существенным его недостатком является высокая чувствительность этого устройства к изменению внешних параметров, в частности, температуры. Другим недостатком является сложность получения заданного излучения с достаточно высокой энергией. Поскольку специфика поставленной задачи требовала высокой стабильности длины волны излучения лазера и энергии излучения порядка нескольких десятков миллиджоулей, такой подход также представлялся достаточно трудно применимым.
Еще одна возможность получения излучения с длиной волны 1,1315 мкм осуществляется при использовании эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В этом случае в лазерной активной среде происходит генерация излучения на некоторой исходной длине волны λ, которая затем, в результате ВКР-преобразования за счет частотного стоксова сдвига с частотой ΩR, преобразуется в заданную λsp. Если в качестве исходного излучения использовать генерацию на основном переходе неодима 4F3/2 → 4I11/2 (λ ≈ 1,06 мкм), тогда выбором ВКР-активной среды можно добиться из-
лучения второй стоксовой компоненты как раз на заданной длине волны в области 1,315 мкм. Для точного попадания в заданную длину волны было необходимо подобрать пару, состоящую из лазерного кристалла, содержащего неодим (стекло не подходит, так как спектральная полуширина линии усиления паров йода, как и у других газов, достаточно узкая), и соответствующей кристаллической ВКР-активной среды.
Для подбора пары "лазерный кристалл – ВКР-активная среда" был проведен расчет необходимой длины волны накачки, обеспечивающей требуемую длину волны генерации по известному табличному значению стоксова сдвига ВКР-активной среды, определяемому из выражения
λpump = 104/(104/λsp + 2ΩR),
(1)
где λsp – заданная длина волны 1,3152 мкм, λpump – искомая длина волны накачки в мкм, ΩR – стоксов сдвиг в см–1.
В табл. 1 приведены табличные значения
стоксовых сдвигов некоторых кристаллов и
рассчитанные по формуле (1) значения требуе-
мой длины волны накачки.
Из данных, приведенных в табл. 1, 2, в каче-
стве лазерной и ВКР-активной сред были подобра-
ны следующие две пары кристаллов: LaF3:Nd + + KGd(WO4)2 и Gd3Ga5O12:Nd + KY(WO4)2.
Использование второго варианта (с парой кри-
сталлов Gd3Ga5O12:Nd + KY(WO4)2) позволяет, заменяя в ВКР-активном кристалле KY(WO4)2
Таблица 1. Значения стоксовых сдвигов и соответствующие длины волн накачки ВКР-кристаллов
ВКР-кристалл
Значение стоксова сдвига, см–1
Требуемая длина волны накачки, мкм
KGd(WO4)2 (КГВ) KY(WO4)2 (КИВ) KYb(WO4)2 Na2WO4
901 905,6 908 929,2
1,0631 1,0621 1,0616 1,0569
Таблица 2. Точные значения длин волн генерации в области 1 мкм кристаллических активных сред, содержащих неодим
Лазерный кристалл
Длина волны генерации при 300 K, мкм
SrF2-YF3:Nd Y3Al5O12:Nd (ИАГ-Nd) Gd3Ga5O12:Nd (ГГГ-Nd) Y3Ga5O12:Nd CaF2-YF3:Nd LaF3:Nd (ЛаФ-Nd)
1,0568 1,0615 1,0621 1,0620 1,0632 1,0631
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
11
часть ионов иттрия на ионы иттербия, управлять стоксовым сдвигом, что дает возможность осуществлять более точную настройку заданной длины волны излучения. В настоящей работе для решения поставленной задачи была исследована возможность применения такой схемы с генерацией второй стоксовой компоненты в ВКР-активном кристалле при накачке излучением неодимового лазера на основном переходе 4F3/2 → 4I11/2 иона неодима. Для предварительных экспериментов использовалась схема с ламповой накачкой. Однако для достижения требуемой длительности импульсов (около 1 нс) необходимо использование коротких (порядка 1 см) резонаторов, характерных для лазеров с диодной накачкой. В таких лазерах также обеспечивается более стабильная синхронизация лазерного импульса относительно импульса запуска.
Основным критерием сравнения оптимальности различных схем служили данные по измерению энергии. Форма и длительность импульса регистрировались с помощью запоминающего осциллографа, подключенного к лавинному фотодиоду. При исследованиях степени поляризации излучения использовалась призма Глана.
Основными объектами исследования были кристаллы, предназначенные для использования как в качестве лазерной среды, так и в качестве ВКР-активного элемента. Определялись характеристики свободной генерации лазерных элементов. Энергия импульса измерялась калориметрическим измерителем мощности
ИМО-2Н. По полученным данным были построены графики (рис. 1, 2).
Из графика (рис. 1) видно, что кристалл ГГГ-Nd имеет эффективность, приблизительно вдвое меньшую по сравнению с КГВ-Nd. Этот эффект, по-видимому, обусловлен образованием центров окраски в кристаллах ГГГ-Nd под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, что является характерной особенностью кристаллов гранатов, выращенных методом Чохральского. Для предупреждения этого эффекта активный элемент ГГГ-Nd помещался в кварцевую трубку марки КЛЖ, осуществляющую отсечку части спектра лампы накачки в УФ области.
Результаты, полученные на лазерных кристаллах ГГГ-Nd, помещенных в трубку КЛЖ, и на кристаллах LaF3, представлены на рис. 2. Осциллограмма моноимпульсной генерации лазерного кристалла КГВ-Nd на основном переходе иона неодима в области 1,06 мкм приведена на рис. 3. Длительность импульса составляла около 25 нс.
Лазерный кристалл КГВ-Nd позволяет получать генерацию и ВКР-преобразование в одном и том же кристалле (режим ВКРсамопреобразования), поэтому он был использован в качестве нелинейно-оптического элемента, на котором было осуществлено ВКРпреобразование в режиме моноимпульса (рис. 4).
Моноимпульс, получаемый в кристаллах КГВ-Nd, имел энергию 8 мДж. В паре "ГГГ-Nd – КИВ" была получена генерация второй стоксовой компоненты, энергия импульса которой составила 3,5 мДж при длительности 7 нс (рис. 5).
Еgen, мДж 150
100
50
Еgen, мДж 1 200
150
2
100
2 1
0 468 Рpump, Дж
Рис. 1. Зависимости выходной энергии (Egen) от энергии накачки (Ppump) в режиме свободной генерации кристаллов КГВ-Nd (1) и ГГГ-Nd (2).
12
50 15
20
25 30 Рpump, Дж
Рис. 2. Характеристики свободной генерации кристаллов ГГГ-Nd в трубке КЛЖ (1) и LaF3Nd (2).
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
I, отн. ед. 2
1,5
1
0,5
0 10 20 30 40 50 t, нс Рис. 3. Осциллограмма моноимпульсной генерации КГВ-Nd на длине волны 1,06 мкм при пропускании затвора 30% и длине резонатора 30 см.
I, отн. ед. 0,94 0,74 0,54 0,34 0,14
–40 –20
0
20 40
60
t, нс
Рис. 4. Осциллограмма моноимпульса второй стоксовой компоненты на длине волны 1,32 мкм
в лазерном кристалле КГВ-Nd.
В ходе экспериментов было установлено, что при использовании кристаллов КИВ с непросветленными торцами в случае плотных затворов (пропускание T < 20%) и выходного полупрозрачного зеркала (T = 50% на длине волны 1,3 мкм) порог свободной генерации на дополнительном переходе иона неодима 4F3/2 → 4I13/2 оказывается меньше, чем порог моноимпульсной генерации на длине волны 1,06 мкм. Выходное излучение c длиной волны в области 1,3 мкм получается не в результате ВКР-преобразования моноимпульсного излучения с длиной волны 1,0621 мкм, а как свободная генерация на дополнительном переходе иона неодима 4F3/2 → 4I13/2. Это можно предотвратить, используя зеркала с высоким пропусканием, имеющие коэффициент отражения на длине волны 1,3 мкм не более 6%. Также для подавления свободной генерации на переходе 4F3/2 → 4I13/2 можно использовать оптическую схему, представленную на рис. 6.
Главным отличием схемы является установка затвора между активной средой и ВКРэлементом. На затвор с обеих сторон нанесено просветляющее покрытие на излучение, соответствующее длине волны 1,06 мкм, и высокоотражающее покрытие (>99%) на длинах волн λ ≈ 1,18 и 1,315 мкм на поверхности, ближней к ВКР-элементу. Это должно привести к следующим изменениям в принципе работы схемы:
• Активная среда, содержащая неодим, будет находиться вне резонатора на λ = 1,3 мкм,
I, отн. ед. 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
6
–6 –2
2
6 10 14 t, нс
Рис. 5. Осциллограмма генерации второй стоксовой компоненты на длине волны 1,315 мкм
пары кристаллов "ГГГ-Nd – КИВ".
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
34
1
25
Рис. 6. Оптимизированная оптическая схема ВКР-лазера. 1 – ВКР-элемент, 2 – пассивный затвор с просветляющим покрытием с обеих сторон на длину волны 1,06 мкм и высокоотражающим покрытием (>99%) на длины волн 1,18 и 1,315 мкм на поверхности, ближней к активному элементу 5, 3 – выходное зеркало, полупрозрачное на длине волны 1,315 мкм, и высокоотражающее (>99%) на длинах волн 1,18 и 1,06 мкм, 4 – высокоотражающее зеркало (>99%) на длине волны 1,06 мкм, просветленное на длину волны 1,3 мкм, 5 – активный элемент на основе кристалла, активированного неодимом.
13
I, отн. ед. 120
80
40
0 1314,5
1315,0
1315,5
1316,0 λ, нм
Рис. 7. Форма спектральной линии второй стоксовой компоненты ВКР-лазера.
и свободная генерация в области 1,3 мкм на переходе неодима 4F3/2 → 4I13/2 будет исключена.
• Объем пассивного затвора оказывается вне ВКР-резонатора, при этом остаточные потери пассивного затвора не будут давать отрицательного вклада в добротность ВКР-резонатора.
Для оценки полуширины линии излучения были проведены исследования контура спектральной линии второй стоксовой компоненты описываемого ВКР-лазера. Измеренная полуширина линии (рис. 7) составляла примерно 1,4 см–1. Такое значение свидетельствует о наличии нескольких продольных мод в излучении лазера и может быть уменьшено переходом к одномодовому режиму, например, путем введения внутрь резонатора лазера для узкополосной фильтрации задающего излучения интерферометра Фабри–Перо или трехмерной брегговской структуры.
Для оценки возможности усиления в газовой среде паров йода был использован каскад предварительного усиления (КПУ), имеющий коэффициент усиления по слабому сигналу при работе с йодным задающим генератором порядка 1000. Давление рабочей смеси (i-C3F7I : : SF6 = 1 : 48) в усилителе составляло 1,8 абс. атм. По пути следования излучения после твердотельного задающего генератора (ЗГ-ТТ) на расстоянии 1 м от выходного зеркала устанав-
ФД2 ПК2
ОП4 ОП3
КПУ
ФД1 ПК1 Линза
ЗГ-ТТ ОП2 ОП1
Рис. 8. Оптическая схема тракта усиления. ЗГ-ТТ – задающий твердотельный генератор, ОП1–ОП4 – отводящие пластины, ПК1, ПК2 – пиррокалориметры, ФД1, ФД2 – фотодиоды, КПУ – каскад предварительного усиления, коллимирующая линза имеет фокусное расстояние 1м.
ливалась коллимирующая линза с фокусным расстоянием 1 м. Оптическая схема проведения экспериментов приведена на рис. 8.
Исследования осуществлялись по следующему алгоритму:
1. Проводилось срабатывание только ЗГ-ТТ. При этом измерялись энергия импульса его излучения (калориметр ПК1) и энергия, которая проходит через неработающий, но полностью подготовленный к работе каскад предварительного усиления КПУ (калориметр ПК2). Определялись как абсолютное значение энергии импульса на выходе КПУ, так и доля энергии системы задающего генератора ЗГ-ТТ, проходящая через усилитель. Доля энергии, проходящая сквозь усилитель, составляла 0,2–0,25, что соответствует 0,2–0,5 мДж.
2. Проводилось срабатывание ЗГ-ТТ + КПУ. По результатам предварительного срабатывания и измерению энергии импульса ЗГ-ТТ оценивалась энергия входного импульса. По измерению выходной энергии и оценке входной энергии вычислялся коэффициент усиления.
3. Проводилось срабатывание только КПУ при полностью съюстированном тракте усиления. По измеренной выходной энергии КПУ делался вывод о том, наблюдался ли в предшествующем срабатывании эффект усиления либо измеренная энергия определялась самовозбуждением усилительного тракта.
Всего было сделано две серии таких измерений, результаты которых представлены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты исследования работы ЗГ-ТТ на основе пары кристаллов "ГГГ-Nd – KY(WO4)2" с КПУ на парах йода
№ Энергия эксперимента импульса ЗГ-ТТ, мДж
Энергия импульса после КПУ, мДж
Коэффициент усиления
Наличие самовозбуждения
1 2,4
55 150
нет
2 4,8
61 60
нет
14 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Различия в коэффициентах усиления объясняются, прежде всего, различными моментами прохождения импульса сквозь усилитель относительно его импульса тока накачки. Измерения энергии дополнялись определениями формы импульсов как до, так и после усиления. Проведенные исследования свидетельствуют о попадании линии генерации в полосу усиления усилителя на атомарном йоде.
Заключение
В результате проведенной работы были рассмотрены различные варианты создания задающего лазерного излучателя на длине волны 1,315 мкм и выбрана оптимальная схема его построения, основанная на получении эффективного ВКР-излучения второй стоксовой компоненты в твердотельном лазере.
Проанализирована совокупность известных лазерных и ВКР-активных кристаллов и предложены две твердотельные пары "лазерный кристалл – ВКР-активный кристалл", обеспечивающих, по литературным данным, точную настройку длины волны излучателя
на требуемую длину волны 1,315 мкм. Это
пары лазерный кристалл Gd3Ga5O12:Nd + ВКРактивный кристалл KY(WO4)2 и лазерный кристалл LaF3:Nd + ВКР-активный кристалл KGd(WO4)2.
Осуществлен выбор ВКР-активных сред
таким образом, чтобы в обоих случаях была
обеспечена возможность точной подстройки
излучателя на заданную длину волны путем
частичного изменения состава ВКР-активного
кристалла (например, частичная замена ионов
Y на ионы Yb в кристаллах KY(WO4)2). Рассмотрен вариант схемы с уменьшенными
потерями на стоксовых компонентах с одновре-
менным подавлением паразитного сброса ин-
версии на переходе неодима в области 1,3 мкм.
Получено усиление лазерного сигнала в ка-
скаде предварительного усиления на парах
йода: коэффициент усиления составил 150, по-
лучена выходная энергия до 60 мДж. Показана
перспективность использования твердотельно-
го ВКР-лазера, излучающего вторую стоксову
компоненту на длине волны 1,3152 мкм, в ка-
честве задающего генератора для системы уси-
лителей на атомарном йоде.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1973. 2. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981. 638 с. 3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение, 1990. 315 с. 4. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990. 560 с. 5. Ищенко Е., Климков Ю. Оптические квантовые генераторы. М.: Советское радио, 1968. 472 с.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
15
УДК 621.373.826
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ ВТОРУЮ СТОКСОВУ КОМПОНЕНТУ, КАК ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА АТОМАРНОМ ЙОДЕ
© 2014 г.
В. И. Анненков**, канд. техн. наук; П. С. Иванов*, студент; С. Г. Гаранин**, доктор физ.-мат. наук; Н. А. Калмыков**; И. В. Мочалов*, доктор физ.-мат. наук; А. В. Сандуленко*, канд. физ.-мат. наук; С. В. Сандыга*, студент
*Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
**Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Российский федеральный ядерный центр, г. Саров, Нижегородская обл.
E-mail: Al_sand@mail.ru
Рассмотрены различные варианты создания задающего лазерного излучателя на длине волны 1,315 мкм и выбрана оптимальная схема его построения, основанная на получении эффективного излучения второй стоксовой компоненты в твердотельном лазере на вынужденном комбинационном рассеянии. Проведен анализ активных кристаллов и предложены две твердотельные пары: лазерный кристалл Gd3Ga5O12:Nd + кристалл KY(WO4)2 и лазерный кристалл LaF3:Nd + кристалл KGd(WO4)2. Рассмотрен вариант схемы с уменьшенными потерями на стоксовых компонентах с одновременным подавлением паразитного сброса инверсии на переходе неодима в области 1,3 мкм. Получено усиление лазерного сигнала в каскаде предварительного усиления на парах йода, коэффициент усиления составил 150, получена выходная энергия до 60 мДж.
Ключевые слова: лазер на вынужденном комбинационном рассеянии, задающий генератор, усилитель на атомарном йоде.
Коды OCIS: 140.3550
Поступила в редакцию 22.07.2013
Целью настоящей работы явилось создание
твердотельного лазера, предназначенного для
применения в качестве задающего генератора
для системы усилителей на атомарном йоде
с длиной волны генерации 1,3152 мкм.
Наиболее простым решением поставлен-
ной задачи могла явиться разработка лазе-
ра, генерирующего на длине волны дополнительного перехода иона неодима 4F3/2 → 4I13/2 (λ ≈ 1,3 мкм). Наиболее близко к искомой дли-
не волны λ ≈ 1,3152 мкм лежат длины волн ге-
нерации кристаллов CeF3:Nd (λ ≈ 1,313 мкм) и SrF2-LaF3:Nd (λ ≈ 1,316 мкм) [1]. Однако,
во-первых, эти генерационные переходы про-
исходят при температуре жидкого азота
(≈77 K) [1] и, во-вторых, поперечное сечение
вынужденного излучения этих переходов иона
неодима в 3–3,5 раза меньше, чем у "основного” перехода 4F3/2 → 4I11/2. Поэтому одна из основных трудностей получения генерации на
этом переходе связана с проблемой возможного
сброса инверсии населенности метастабильного уровня 4F3/2 за счет суперлюминесценции на основном переходе 4F3/2 → 4I11/2. При масштабировании такого лазера в область бóльших выходных энергий, а значит и больших энергий
10 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
накачки, эта проблема становится труднопреодолимой. К тому же из всей совокупности содержащих неодим лазерных сред [1] ни одна не обеспечивает генерацию на длине волны 1,3152 мкм.
Другой возможностью получения генерации на λ ≈ 1,3152 мкм могла бы явиться разработка лазера с использованием параметрического преобразования. Однако существенным его недостатком является высокая чувствительность этого устройства к изменению внешних параметров, в частности, температуры. Другим недостатком является сложность получения заданного излучения с достаточно высокой энергией. Поскольку специфика поставленной задачи требовала высокой стабильности длины волны излучения лазера и энергии излучения порядка нескольких десятков миллиджоулей, такой подход также представлялся достаточно трудно применимым.
Еще одна возможность получения излучения с длиной волны 1,1315 мкм осуществляется при использовании эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В этом случае в лазерной активной среде происходит генерация излучения на некоторой исходной длине волны λ, которая затем, в результате ВКР-преобразования за счет частотного стоксова сдвига с частотой ΩR, преобразуется в заданную λsp. Если в качестве исходного излучения использовать генерацию на основном переходе неодима 4F3/2 → 4I11/2 (λ ≈ 1,06 мкм), тогда выбором ВКР-активной среды можно добиться из-
лучения второй стоксовой компоненты как раз на заданной длине волны в области 1,315 мкм. Для точного попадания в заданную длину волны было необходимо подобрать пару, состоящую из лазерного кристалла, содержащего неодим (стекло не подходит, так как спектральная полуширина линии усиления паров йода, как и у других газов, достаточно узкая), и соответствующей кристаллической ВКР-активной среды.
Для подбора пары "лазерный кристалл – ВКР-активная среда" был проведен расчет необходимой длины волны накачки, обеспечивающей требуемую длину волны генерации по известному табличному значению стоксова сдвига ВКР-активной среды, определяемому из выражения
λpump = 104/(104/λsp + 2ΩR),
(1)
где λsp – заданная длина волны 1,3152 мкм, λpump – искомая длина волны накачки в мкм, ΩR – стоксов сдвиг в см–1.
В табл. 1 приведены табличные значения
стоксовых сдвигов некоторых кристаллов и
рассчитанные по формуле (1) значения требуе-
мой длины волны накачки.
Из данных, приведенных в табл. 1, 2, в каче-
стве лазерной и ВКР-активной сред были подобра-
ны следующие две пары кристаллов: LaF3:Nd + + KGd(WO4)2 и Gd3Ga5O12:Nd + KY(WO4)2.
Использование второго варианта (с парой кри-
сталлов Gd3Ga5O12:Nd + KY(WO4)2) позволяет, заменяя в ВКР-активном кристалле KY(WO4)2
Таблица 1. Значения стоксовых сдвигов и соответствующие длины волн накачки ВКР-кристаллов
ВКР-кристалл
Значение стоксова сдвига, см–1
Требуемая длина волны накачки, мкм
KGd(WO4)2 (КГВ) KY(WO4)2 (КИВ) KYb(WO4)2 Na2WO4
901 905,6 908 929,2
1,0631 1,0621 1,0616 1,0569
Таблица 2. Точные значения длин волн генерации в области 1 мкм кристаллических активных сред, содержащих неодим
Лазерный кристалл
Длина волны генерации при 300 K, мкм
SrF2-YF3:Nd Y3Al5O12:Nd (ИАГ-Nd) Gd3Ga5O12:Nd (ГГГ-Nd) Y3Ga5O12:Nd CaF2-YF3:Nd LaF3:Nd (ЛаФ-Nd)
1,0568 1,0615 1,0621 1,0620 1,0632 1,0631
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
11
часть ионов иттрия на ионы иттербия, управлять стоксовым сдвигом, что дает возможность осуществлять более точную настройку заданной длины волны излучения. В настоящей работе для решения поставленной задачи была исследована возможность применения такой схемы с генерацией второй стоксовой компоненты в ВКР-активном кристалле при накачке излучением неодимового лазера на основном переходе 4F3/2 → 4I11/2 иона неодима. Для предварительных экспериментов использовалась схема с ламповой накачкой. Однако для достижения требуемой длительности импульсов (около 1 нс) необходимо использование коротких (порядка 1 см) резонаторов, характерных для лазеров с диодной накачкой. В таких лазерах также обеспечивается более стабильная синхронизация лазерного импульса относительно импульса запуска.
Основным критерием сравнения оптимальности различных схем служили данные по измерению энергии. Форма и длительность импульса регистрировались с помощью запоминающего осциллографа, подключенного к лавинному фотодиоду. При исследованиях степени поляризации излучения использовалась призма Глана.
Основными объектами исследования были кристаллы, предназначенные для использования как в качестве лазерной среды, так и в качестве ВКР-активного элемента. Определялись характеристики свободной генерации лазерных элементов. Энергия импульса измерялась калориметрическим измерителем мощности
ИМО-2Н. По полученным данным были построены графики (рис. 1, 2).
Из графика (рис. 1) видно, что кристалл ГГГ-Nd имеет эффективность, приблизительно вдвое меньшую по сравнению с КГВ-Nd. Этот эффект, по-видимому, обусловлен образованием центров окраски в кристаллах ГГГ-Nd под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, что является характерной особенностью кристаллов гранатов, выращенных методом Чохральского. Для предупреждения этого эффекта активный элемент ГГГ-Nd помещался в кварцевую трубку марки КЛЖ, осуществляющую отсечку части спектра лампы накачки в УФ области.
Результаты, полученные на лазерных кристаллах ГГГ-Nd, помещенных в трубку КЛЖ, и на кристаллах LaF3, представлены на рис. 2. Осциллограмма моноимпульсной генерации лазерного кристалла КГВ-Nd на основном переходе иона неодима в области 1,06 мкм приведена на рис. 3. Длительность импульса составляла около 25 нс.
Лазерный кристалл КГВ-Nd позволяет получать генерацию и ВКР-преобразование в одном и том же кристалле (режим ВКРсамопреобразования), поэтому он был использован в качестве нелинейно-оптического элемента, на котором было осуществлено ВКРпреобразование в режиме моноимпульса (рис. 4).
Моноимпульс, получаемый в кристаллах КГВ-Nd, имел энергию 8 мДж. В паре "ГГГ-Nd – КИВ" была получена генерация второй стоксовой компоненты, энергия импульса которой составила 3,5 мДж при длительности 7 нс (рис. 5).
Еgen, мДж 150
100
50
Еgen, мДж 1 200
150
2
100
2 1
0 468 Рpump, Дж
Рис. 1. Зависимости выходной энергии (Egen) от энергии накачки (Ppump) в режиме свободной генерации кристаллов КГВ-Nd (1) и ГГГ-Nd (2).
12
50 15
20
25 30 Рpump, Дж
Рис. 2. Характеристики свободной генерации кристаллов ГГГ-Nd в трубке КЛЖ (1) и LaF3Nd (2).
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
I, отн. ед. 2
1,5
1
0,5
0 10 20 30 40 50 t, нс Рис. 3. Осциллограмма моноимпульсной генерации КГВ-Nd на длине волны 1,06 мкм при пропускании затвора 30% и длине резонатора 30 см.
I, отн. ед. 0,94 0,74 0,54 0,34 0,14
–40 –20
0
20 40
60
t, нс
Рис. 4. Осциллограмма моноимпульса второй стоксовой компоненты на длине волны 1,32 мкм
в лазерном кристалле КГВ-Nd.
В ходе экспериментов было установлено, что при использовании кристаллов КИВ с непросветленными торцами в случае плотных затворов (пропускание T < 20%) и выходного полупрозрачного зеркала (T = 50% на длине волны 1,3 мкм) порог свободной генерации на дополнительном переходе иона неодима 4F3/2 → 4I13/2 оказывается меньше, чем порог моноимпульсной генерации на длине волны 1,06 мкм. Выходное излучение c длиной волны в области 1,3 мкм получается не в результате ВКР-преобразования моноимпульсного излучения с длиной волны 1,0621 мкм, а как свободная генерация на дополнительном переходе иона неодима 4F3/2 → 4I13/2. Это можно предотвратить, используя зеркала с высоким пропусканием, имеющие коэффициент отражения на длине волны 1,3 мкм не более 6%. Также для подавления свободной генерации на переходе 4F3/2 → 4I13/2 можно использовать оптическую схему, представленную на рис. 6.
Главным отличием схемы является установка затвора между активной средой и ВКРэлементом. На затвор с обеих сторон нанесено просветляющее покрытие на излучение, соответствующее длине волны 1,06 мкм, и высокоотражающее покрытие (>99%) на длинах волн λ ≈ 1,18 и 1,315 мкм на поверхности, ближней к ВКР-элементу. Это должно привести к следующим изменениям в принципе работы схемы:
• Активная среда, содержащая неодим, будет находиться вне резонатора на λ = 1,3 мкм,
I, отн. ед. 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
6
–6 –2
2
6 10 14 t, нс
Рис. 5. Осциллограмма генерации второй стоксовой компоненты на длине волны 1,315 мкм
пары кристаллов "ГГГ-Nd – КИВ".
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
34
1
25
Рис. 6. Оптимизированная оптическая схема ВКР-лазера. 1 – ВКР-элемент, 2 – пассивный затвор с просветляющим покрытием с обеих сторон на длину волны 1,06 мкм и высокоотражающим покрытием (>99%) на длины волн 1,18 и 1,315 мкм на поверхности, ближней к активному элементу 5, 3 – выходное зеркало, полупрозрачное на длине волны 1,315 мкм, и высокоотражающее (>99%) на длинах волн 1,18 и 1,06 мкм, 4 – высокоотражающее зеркало (>99%) на длине волны 1,06 мкм, просветленное на длину волны 1,3 мкм, 5 – активный элемент на основе кристалла, активированного неодимом.
13
I, отн. ед. 120
80
40
0 1314,5
1315,0
1315,5
1316,0 λ, нм
Рис. 7. Форма спектральной линии второй стоксовой компоненты ВКР-лазера.
и свободная генерация в области 1,3 мкм на переходе неодима 4F3/2 → 4I13/2 будет исключена.
• Объем пассивного затвора оказывается вне ВКР-резонатора, при этом остаточные потери пассивного затвора не будут давать отрицательного вклада в добротность ВКР-резонатора.
Для оценки полуширины линии излучения были проведены исследования контура спектральной линии второй стоксовой компоненты описываемого ВКР-лазера. Измеренная полуширина линии (рис. 7) составляла примерно 1,4 см–1. Такое значение свидетельствует о наличии нескольких продольных мод в излучении лазера и может быть уменьшено переходом к одномодовому режиму, например, путем введения внутрь резонатора лазера для узкополосной фильтрации задающего излучения интерферометра Фабри–Перо или трехмерной брегговской структуры.
Для оценки возможности усиления в газовой среде паров йода был использован каскад предварительного усиления (КПУ), имеющий коэффициент усиления по слабому сигналу при работе с йодным задающим генератором порядка 1000. Давление рабочей смеси (i-C3F7I : : SF6 = 1 : 48) в усилителе составляло 1,8 абс. атм. По пути следования излучения после твердотельного задающего генератора (ЗГ-ТТ) на расстоянии 1 м от выходного зеркала устанав-
ФД2 ПК2
ОП4 ОП3
КПУ
ФД1 ПК1 Линза
ЗГ-ТТ ОП2 ОП1
Рис. 8. Оптическая схема тракта усиления. ЗГ-ТТ – задающий твердотельный генератор, ОП1–ОП4 – отводящие пластины, ПК1, ПК2 – пиррокалориметры, ФД1, ФД2 – фотодиоды, КПУ – каскад предварительного усиления, коллимирующая линза имеет фокусное расстояние 1м.
ливалась коллимирующая линза с фокусным расстоянием 1 м. Оптическая схема проведения экспериментов приведена на рис. 8.
Исследования осуществлялись по следующему алгоритму:
1. Проводилось срабатывание только ЗГ-ТТ. При этом измерялись энергия импульса его излучения (калориметр ПК1) и энергия, которая проходит через неработающий, но полностью подготовленный к работе каскад предварительного усиления КПУ (калориметр ПК2). Определялись как абсолютное значение энергии импульса на выходе КПУ, так и доля энергии системы задающего генератора ЗГ-ТТ, проходящая через усилитель. Доля энергии, проходящая сквозь усилитель, составляла 0,2–0,25, что соответствует 0,2–0,5 мДж.
2. Проводилось срабатывание ЗГ-ТТ + КПУ. По результатам предварительного срабатывания и измерению энергии импульса ЗГ-ТТ оценивалась энергия входного импульса. По измерению выходной энергии и оценке входной энергии вычислялся коэффициент усиления.
3. Проводилось срабатывание только КПУ при полностью съюстированном тракте усиления. По измеренной выходной энергии КПУ делался вывод о том, наблюдался ли в предшествующем срабатывании эффект усиления либо измеренная энергия определялась самовозбуждением усилительного тракта.
Всего было сделано две серии таких измерений, результаты которых представлены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты исследования работы ЗГ-ТТ на основе пары кристаллов "ГГГ-Nd – KY(WO4)2" с КПУ на парах йода
№ Энергия эксперимента импульса ЗГ-ТТ, мДж
Энергия импульса после КПУ, мДж
Коэффициент усиления
Наличие самовозбуждения
1 2,4
55 150
нет
2 4,8
61 60
нет
14 “Оптический журнал”, 81, 2, 2014
Различия в коэффициентах усиления объясняются, прежде всего, различными моментами прохождения импульса сквозь усилитель относительно его импульса тока накачки. Измерения энергии дополнялись определениями формы импульсов как до, так и после усиления. Проведенные исследования свидетельствуют о попадании линии генерации в полосу усиления усилителя на атомарном йоде.
Заключение
В результате проведенной работы были рассмотрены различные варианты создания задающего лазерного излучателя на длине волны 1,315 мкм и выбрана оптимальная схема его построения, основанная на получении эффективного ВКР-излучения второй стоксовой компоненты в твердотельном лазере.
Проанализирована совокупность известных лазерных и ВКР-активных кристаллов и предложены две твердотельные пары "лазерный кристалл – ВКР-активный кристалл", обеспечивающих, по литературным данным, точную настройку длины волны излучателя
на требуемую длину волны 1,315 мкм. Это
пары лазерный кристалл Gd3Ga5O12:Nd + ВКРактивный кристалл KY(WO4)2 и лазерный кристалл LaF3:Nd + ВКР-активный кристалл KGd(WO4)2.
Осуществлен выбор ВКР-активных сред
таким образом, чтобы в обоих случаях была
обеспечена возможность точной подстройки
излучателя на заданную длину волны путем
частичного изменения состава ВКР-активного
кристалла (например, частичная замена ионов
Y на ионы Yb в кристаллах KY(WO4)2). Рассмотрен вариант схемы с уменьшенными
потерями на стоксовых компонентах с одновре-
менным подавлением паразитного сброса ин-
версии на переходе неодима в области 1,3 мкм.
Получено усиление лазерного сигнала в ка-
скаде предварительного усиления на парах
йода: коэффициент усиления составил 150, по-
лучена выходная энергия до 60 мДж. Показана
перспективность использования твердотельно-
го ВКР-лазера, излучающего вторую стоксову
компоненту на длине волны 1,3152 мкм, в ка-
честве задающего генератора для системы уси-
лителей на атомарном йоде.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1973. 2. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981. 638 с. 3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение, 1990. 315 с. 4. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990. 560 с. 5. Ищенко Е., Климков Ю. Оптические квантовые генераторы. М.: Советское радио, 1968. 472 с.
“Оптический журнал”, 81, 2, 2014
15