Температурная зависимость эффективности генерации трехмикронного YAG:er лазера

УДК 539.1

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ТРЕХМИКРОННОГО УАС:Ег ЛАЗЕРА

В. П. Данилов, В. П. Калинушкин, В. А. Лобачев, В. А. Ночевкин, М. И. Студеникин

Представлены экспериментальные результаты и расчетные данные исследования температурной зависимости эффективности генерации (КПД) импульсного трехмикронного УА0:Ет2+ лазера (в интервале Т = —80 — 80°С). Показано, что понижение температуры лазерного кристалла от комнатной до Т = — 80°С приводит к возрастанию выходной энергии лазера в 3^4 раза при одинаковой энергии ламповой накачки. Соответственно (« в 3 раза) возрастает дифференциальный КПД генерации лазера.

Многообразие практических применений трехмикронного лазера на кристаллах УАС:Ег3+ определяется уникальным совпадением длины волны генерации этого лазера (А = 2.94 мкм) с пиком поглощения воды. В настоящее время трехмикронныг эрбиевый лазер широко применяется в медицине (стоматологии, дерматологии, косметологии, хирургии), биологии и других областях науки и техники.

Для практического использования лазера необходимо совершенствовать его выходные характеристики, искать возможности увеличения выходной энергии импульса генерации лазера и повышения эффективности генерации лазера, т.е. его КПД. Известно, что рабочая температура активных элементов твердотельных лазеров может существенно влиять на их генерационные характеристики [1, 2]. В настоящей работе мы исследовали температурную зависимость эффективности генерации эрбиевого лазера в интервале Т — —80 — 80°С. Особый интерес представляла область пониженных температур (ниже комнатных), поскольку ранее проведенные нами исследования выявили отрицательное влияние повышенных температур на пороги и эффективность генерации УАС:Ег3+ лазера [1].

В YAG:Er3+ лазере процессы создания инверсной населенности на трехмикронном переходе между рабочими лазерными уровнями 4/ц/2 и 4/г3/2 существенно отличаются от традиционных методов создания инверсии для трехуровневых и четырехуровневых схем. Формирование инверсной населенности на переходе 4/ц/2 —4 Лз/2 происходит благодаря многочисленным кросс-релаксационным процессам [3, 4], основные из которых изображены на рис. 1. Процессы ион-ионного переноса энергии электронного возбуждения присутствуют практически во всех лазерах на диэлектрических кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов. Однако в высококонцентрированных (С > 15%) кристаллах YAG:Er3+ процессы кросс-релаксации и ап-конверсии являются определяющими при распределении энергии между лазерными уровнями 4/ц/2 и 4/13/2. На самоограниченном лазерном переходе (время жизни нижнего лазерного уровня 4Лз/2 более чем на порядок превышает время жизни верхнего лазерного уровня 4/ц/2 [3]), процессы ап-конверсии с нижнего лазерного уровня (процесс А на рис. 1) снимают самоограничение лазерного перехода, позволяя получать генерацию практически любой длительности вплоть до непрерывной [3]. Многообразие кросс-релаксационных процессов, имеющих место в кристалле YAG:Er3+ и определяющих генерацию трехмикронного излучения, дало необычное название данному кристаллическому лазеру - "Кросс-релаксационный YAG:Er3+ лазер" [4]. Следует отметить, что вероятности кросс-релаксационных процессов зависят от температуры кристалла [6] и могут влиять на значения инверсной населенности в активной среде, увеличивая ее или уменьшая.

Для проведения исследований температурной зависимости (Г = —80 — 80°С) эффективности генерации лазера использовалась камера тепла и холода КТХ-0.012-60/85, где располагался лазерный излучатель с кристаллом YAG:Er3+. Лазерное излучение выходило из камеры через окно, состоящее из двух плоскопараллельных кварцевых пластин. Температура лазерного кристалла поддерживалась постоянной при помощи устройства автоматического поддержания температуры, состоящего из калиброванной термопары и сосуда Дьюара с испарителем для подачи паров жидкого азота. Измерение выходной энергии генерации производилось стандартным калориметром ИМО-2н.

Накачка активного элемента осуществлялась лампой ИФП-800 в цилиндрическом моноблоке (использовался квантрон К-107). Длительность импульса накачки составляла 700 мкс. Энергия возбуждающего импульса была постоянной при всех температурах и составляла Е — 300 Дж. Настройка резонатора производилась с помощью дотационных манипуляторов, позволяющих изменять углы наклона зеркал с внешней стороны камеры тепла и холода.

Рис. 1. Основные процессы кросс-релаксации в кристаллах УАО.Ег, ответственные за формирование инверсной населенности на трехмикронном переходе 4/ц/2 —^Аз/г-

В работе использовались кристаллы иттрий-алюминиевого граната У3А15012, ак тивированные ионами эрбия Ег3+ с концентрацией ионов активатора 50%. Размеры кристалла составляли: диаметр - 6 мм, длина - 120 мм.

На рис. 2 представлена кривая температурной зависимости выходной энергии (Е) генерации трехмикронного излучения лазера на кристалле иттрий-алюминиевого гра ната, активированного ионами эрбия, при постоянной энергии возбуждения (Е = 300 Дж). Видно, что при понижении температуры ниже комнатной (Г = 20° С) выходная энергия лазера увеличивается вплоть до температуры Т — —80°С, достигая значений Е и 2.8 Дж, что значительно в 2.5 раза) превышает значения выходной энергии лазера при комнатной температуре. Представленные результаты получены при много кратных исследованиях одного кристалла, однако подобная зависимость наблюдалась и для других кристаллов УАС:Ег3+.

Такое увеличение эффективности генерации УАС:Ег3+ лазера при понижении тем пературы активного элемента можно объяснить двумя причинами.

Причина первая: понижение температуры приводит к изменению больцмановских

2.8

О

О

-100 -60 -20 0 20

60

300

400

500

t°,C

Е(нак), Дж

Рис. 2. Температурная зависимость выходной энергии генерации трехмикронного излучения YAG:Ег лазера при постоянной энергии ламповой накачки Е = 300 Дж. (1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные данные).

Рис. 3. Зависимость выходной энергии YAG.Er лазера от энергии накачки: 1) Т = — 80° С; 2) Т = 20° С.

факторов заселения штарковских подуровней рабочих уровней лазера - мультиплетов 4/ц/2 и 4/i3/2, что в конечном счете может привести к возрастанию инверсной населенности и к увеличению выходной энергии лазера. Для проверки этой гипотезы мы использовали систему уравнений, которая позволяет найти зависимость плотности насе-ленностей уровней рабочего перехода от времени с учетом процессов кросс-релаксации, скорости оптической накачки и плотности потока генерируемого излучения в резонаторе. С учетом вынужденных переходов между штарковскими компонентами мультиплетов 4/ц/2 и 4713/2 уравнения имеют вид [4]:

где $ - плотность потока фотонов в резонаторе, а = 2.6 х Ю-20 см2 - сечение лазерного перехода [3]; а и /3 - больцмановские факторы заселения штарковских подуровней; Т\ = 1 мс и 72 = 0.1 мс - времена жизни уровней А1\з/2 и 4/ц/2 при концентрации

активатора С = 50% [3]; W1 = 2.5 х 10"18 см"3 с"1 и W2 = 7 х 10~16 см~3 с"1

dN2/dt = R1 + R2 - aS{aN2 - ßNx) - N2/t2 + W^N-,)2 - W2{N2)\

dNi/dt == R1 + aS(aN2 - /Щ) - N^n + N2/T2 - 2W1(N1)\ dS/dt = vS[a(aN2 - ßNx)~ p],

константы кросс-релаксации с уровней 4/13/2 и 4/ц/2 [5]; Яг ~ 4.8 х 1023 см-3 с-1 и

~ 5 х 1022 см-3 с-1 расчетные скорости заселения лазерных уровней при ламповой накачке с учетом спектра поглощения УАС:Ег3+ и кросс-релаксации с уровня 45з/2 [5]; V - скорость распространения излучения в активной среде; р яз 0.02 см-1 - суммарные потери резонатора.

Значения выходной энергии лазера, полученные после решения системы уравнений численными методами для трех значений температуры +20°С, —50°С и —100°С представлены на рис. 2 (кривая 2). Из рисунка видно, что расчетные значения выходной энергии лазера возрастают с понижением температуры активного элемента, т.е. изме нение больцмановских факторов заселения штарковских подуровней рабочих уровней лазера приводит к увеличению эффективности УАС:Ег3+ лазера. Вместе с тем, как видно из рис. 2, объяснить возрастание экспериментальных значений выходной энергии лазера только за счет изменения больцмановских коэффициентов не удается.

Вторая причина увеличения эффективности генерации УАС:Ег3+ лазера может быть связана со следующим: при понижении температуры происходит сужение линий люминесценции и поглощения трехвалентных ионов эрбия и, одновременно, энергетическое смещение штарковских подуровней [3]. Такое поведение линий люминесценции и поглощения может приводить к изменению интегралов перекрытия и параметров кросс-релаксационных процессов, ответственных за генерационные характеристики УАС:Ег3+ лазера (рис. 1). По всей видимости, при понижении температуры возрастают:

- макропараметры переноса энергии с уровня 45з/2 иона Ег3+ (как парные так и трехчастичные процессы передачи энергии [6]), что приводит к более эффективной (с меньшими безызлучательными потерями) доставке энергии возбуждения ламп накачки на рабочие лазерные уровни 4/ц/2 и 4/х3/2; ^

- макропараметр ап-конверсии с нижнего лазерного уровня 4/1з/2, определяющип кросс-релаксационный механизм генерации УАС:Ег3+ лазера.

Совокупность указанных процессов и приводит к увеличению эффективности генерации УАС:Ег3+ лазера при понижении температуры активного элемента. Дифферен циальный КПД лазера возрастает при этом примерно в 3 раза (рис. 3).

В заключение отметим, что результаты настоящей работы могут быть использованы и в случае диодной накачки УАС:Ег3+ лазера, когда селективная накачка значительно снижает тепловую нагрузку на активный элемент по сравнению с ламповой накачкой, создавая тем самым благоприятные условия для использования малогабаритных Пельтье-холодильников.

ЛИТЕРАТУРА

[1] X. С. Багдасаров, В. П. Данилов, В. И. Жеков и др. Квантовая электроника 5, 150 (1978).

[2] J. С. Walling, О. G. Peterson, Н. P. Jensse, et al. IEEE J. Quantum Electron. QE-16. 1302 (1980).

[3] Труды ИОФАН 19, (Наука, M., 1989), с. 3.

[4] X. С. Багдасаров, В. И. Жеков, В. А. Лобачев и др. Изв. АН СССР, Сер. физ. 48, 1765 (1984).

[5] В. Н. Будник, А. Д. Гондра, В. И. Жеков и др. Квантовая электроника 16, 1672 (1989).

[6] М. И. Студеникин. Дис. канд. физ.-мат. наук ИОФРАН, М., 1992. Институт общей физики

им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 29 декабря 2006 г.