Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра
COMPACT SOLID-STATE LASER OF RED SPECTRUM RANGE

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в красном диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.
Лазеры, генерирующие излучение в видимой области спектра, представляют большой интерес для применения в различных областях жизнедеятельности человека. Они являются источниками возбуждения с высокими энергиями фотонов, которые применяются в научных исследованиях. Высокое качество светового пучка твердотельных и газовых лазеров предполагает использование лазеров данного спектрального диапазона в конфокальной флуоресцентной микроскопии с высоким пространственным разрешением [J.A. Conchello and J. W. Lichtman. Optical sectioning microscopy. Nature methods. Vol.2. No.12. P.920-931. 2005]. В промышленности мощные лазеры видимого диапазона спектра могут быть использованы для точной и эффективной обработки металлов, таких как медь или золото, которые имеют более низкий коэффициент отражения в видимом, чем в инфракрасном спектральном диапазоне [S. Engler, R. Ramsayer, and R. Poprawe. Highly-efficient continuous-wave intra-cavity frequency-doubled Yb:LuAG thin-disk laser with 1 kW of output power. OPTICS EXPRESS. Vol.25, No.5. P.4917-4925. 6 Mar 2017]. В настоящее время в видимом диапазоне спектра работают полупроводниковые лазеры, газовые лазеры и лазеры с преобразованием частоты. Каждый из данных типов лазеров имеет недостатки по сравнению с разработанным нами твердотельным лазером: у полупроводниковых лазеров высокое значение расходимости, плохое качество пучка, газовые лазеры более габаритны, лазеры с преобразованием частоты сложнее конструктивно, и являются более дорогостоящими.
Поэтому актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.
3+
В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы фторидов, активированные ионами Pr.
3+
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0
3
4
0
2
0
6
0
5
Одной из возможностей получения лазерной генерации видимого диапазона спектра является использование в качестве активной среды кристаллов, легированных ионами Pr, которые обладают большим количеством лазерных переходов в видимом диапазоне спектра: 720 нм (темно-красный, P→F+ F), 640 нм (красный, P→F), 607 нм (оранжевый, P→H), 523 нм (зеленый, P→H) и т. д.
3
3
3+
3+
3+
3
1
1
3
0
2
4
4
4
0
Известен волоконный лазер, генерирующий излучение на переходе P→F ионов Prв красном диапазоне спектра на длине волны 640 нм, содержащий фторидное волокно ZBLAN длиной 10 м, легированное ионами Pr. В качестве накачки использовались два Титан-Сапфировых лазера с длиной волны генерации 1010 нм и 885 нм. Ti:Sapphire лазер настроенный на 1010 нм был использован для возбуждения ионов Prиз основного состояния H на мультиплет G. Второй Ti:Sapphire лазер настроенный на 835 нм был использован для обеспечения возбуждения с мультиплета G на уровень P. Максимальная выходная мощность составила 187 мВт, а КПД порядка 7 %. (US 5727007A, МПК H01S 3/30, опубл. 10.03.1998).
Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленной схемой накачки. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер имеет большие размеры, вследствие того что в качестве источника оптической накачки выступают два Ti:Sapphire лазера.
3+
3+
4
4
С развитием полупроводниковых лазерных диодов синего диапазона длин волн стало возможным получение генерации видимого диапазона спектра на кристаллах, легированных ионами Pr, в условиях диодной накачки. К настоящему времени наилучшие выходные характеристики в непрерывном режиме работы лазера были получены в работе [Philip Werner Metz, Fabian Reichert, Francesca Moglia, Sebastian Müller, Daniel-Timo Marzahl, Christian Kränkel and Günter Huber. High-power red, orange, and green Pr:LiYF lasers. OPTICS LETTERS. Vol.39. No.11. P.3193-3196. June 1, 2014] на кристалле LiYF:Pr при накачке InGaAs лазерным диодом, генерирующим во второй гармонике на длине волны 479 нм. Максимальная выходная мощность на длине волны 640 нм составила 2,8 Вт с дифференциальным КПД равным 68 %.
4
4
4
3+
Благодаря низкой энергии фонона и высокому значению коэффициента теплопроводности фторидная матрица LiYF остается пока наиболее эффективной активной кристаллической средой для празеодимовых твердотельных лазеров видимого диапазона длин волн. Однако фторидная матрица LiYF имеет недостатки: коэффициент распределения ионов Pr во фторидном кристалле LiYF:Pr значительно меньше 1. Поэтому задача поиска эффективной матрицы для празеодимов лазеров видимого диапазона является актуальной.
3+
3+
3+
3+
3+
3+
3
3
1-x
x
4
4
4
1-x
x
4
1-x
x
4
В работе [Nizamutdinov A.S., Semashko V.V., Naumov A.K., Efimov V.N., Korableva S. L., Marisov M. A. On the distribution coefficient of Ce ions in LiF-LuF-YF solid-solution crystals. JETP Letters. Vol.91. Iss1. P. 21–23. January 2010] было показано, что редкоземельные ионы Ce и Nd в смешанных фторидных кристаллах LiYLuF имеют более высокий коэффициент распределения примеси по сравнению с кристаллами LiYF и LiLuF. Так как ионы Pr имеют близкий ионный радиус с ионами Ce и Nd. Аналогичная зависимость будет наблюдаться и для кристаллов LiYLuF:Pr. Также кристаллы LiYLuF обладают лучшей фотостабильностью и более высоким оптическим качеством.
1-x
x
4
3
3
3
3+
На сегодняшний день технология получения кристаллов LiYLuF, активированных редкоземельными ионами, в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества [Shavelev A.A., Nizamutdinov A.S., Semashko V. V., Korableva S. L., Gorieva V. G. Distribution coefficient of Pr ions in crystals of solid solutions LiF-LuF-YF-PrF. Journal of Physics: Conference Series. Art. no. 012019. p.560. 2014].
3
3
3+
3+
3+
3
3
3+
0
2
4,
Pr
4
0
4
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является твердотельный лазер, генерирующий излучение на переходе P→F ионов Prв красном диапазоне спектра на длине волны 639,7 нм, включающий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из двух сферических зеркал с радиусами кривизны 50 мм. Входное зеркало имело высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 640 нм. Пропускание выходного зеркала на длине волны накачки 442 нм также имело высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 640 нм составляло 0,1 %. В качестве активной среды использован кристалл LiYFактивированный ионами Pr (С=3 at%) длиной 7 мм. В качестве источника оптической накачки использован полупроводниковый GaN лазерный диод, генерирующий излучение на длине волны 442 нм, обеспечивающий возбуждение ионов Prиз основного состояния H непосредственно на уровень P. Излучение накачки фокусировалось внутрь активного элемента (среды) с помощью линзы с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки составлял порядка 50 мкм. Максимальная выходная мощность генерации в красной области спектра была получена на длине волны 639,7 нм и составила 1,8 мВт, дифференциальный КПД составлял порядка 24 % [A.Richter, E.Heumann, E.Osiac, G.Huber, W.Seelert and A.Diening. Diode pumping of a continuous-wave Pr-doped LiYF laser. Optics Letters. Vol.29. No.22. p.2638-2640. November 15, 2004].
3+
4
Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленный схемой резонатора и низким (порядка 0,1%) распределением ионов Pr в кристалле LiYF. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер излучает и на длине волны накачки в синем диапазоне спектра. Так, выходное зеркало имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм, а схема лазера не предполагает использования фильтра обеспечивающего нулевое пропускание на длине волны 442 нм накачки и полное пропускание на длине волны 639,7 нм генерации.
0.3
0.7
4
Pr
0
2
3
3
3+
Технический результат заключается в улучшении генерационных характеристик (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiYLuF:Pr (С=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе P→F ионов Prна длине волны 639,5 нм.
0.3
0.7
4,
Pr
3+
Сущность изобретения заключается в том, что компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован GaN полупроводниковый лазерный диод. В качестве активной среды используют кристалл LiYLuFактивированный ионами Pr (С=1 at%), а резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5 % в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки.
0.3
0.7
4
Pr
На фиг. 1 показана оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра, на фиг. 2 представлен спектр лазерной генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiYLuF:Pr (С=1 at%).
0.3
0.7
4
4
3+
Оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра ла (фиг. 1) содержит резонатор, включающий входное плоское зеркало 1 и выходное сферическое зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл LiYLuFактивированный ионами Pr (LiYLuF:Pr). В роли источника оптической накачки выступает полупроводниковый GaN лазерный диод 4, генерирующий излучение на длине волны 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируется внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Не поглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6.
4
2
0
2
4
3
3+
3
3
3+
Лазер работает следующим образом. Накачка активной среды, вырезанной из кристалла LiYLuF:Pr, производилась на уровень P ионов Pr GaN лазерным диодом 4 с длиной волны излучения 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируют внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки внутри активной среды 3 составляет порядка 60 мкм. Активная среда вырезана в форме параллелепипеда с размерами 3×3×10 мм, на торцы которого было нанесено антиотражающее покрытие для длины волны генерации (639,5 нм). Резонатор образован входным плоским зеркалом 1 и выходным сферическим зеркалом 2 с радиусом кривизны R=50 мм. Входное плоское зеркало 1 имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Пропускание выходного зеркала 2 на длине волны накачки 442 нм также имеет высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм составляет 2,5%. Непоглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6. Система термостабилизации (на чертеже не указана) обеспечивает поддержание температуры медной оправкой активной среды 3 примерно 18°C. Лазерная генерация на переходе P→F ионов Pr в кристаллах LiYLuF:Pr получена на длине 639,5 нм. Порог генерации составляет 750 мВт по поглощенной мощности накачки, максимальная выходная мощность 4230 мВт, дифференциальный КПД генерации составляет 44%.
4
На фиг. 2 видно, что максимум интенсивности спектра генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiYLuF:Pr соответствует 639,5 нм.
0.3
0.7
4
Pr
0
2
3
3
3+
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет улучшить генерационные характеристики (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiYLuF:Pr (С=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе P→F ионов Prна длине волны 639,5 нм.