Термоиндуцированные линзы в твердотельных лазерах с продольной полупроводниковой накачкой

2

ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА

ТЕРМОИНДУЦИРОВАННЫЕ ЛИНЗЫ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ С ПРОДОЛЬНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ

А.Н. Степанов

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник В.И. Устюгов

Выполнен эксперимент по исследованию оптической силы наведенной термолинзы и выходной мощности в твердотельных лазерах с продольной полупроводниковой накачкой в случае генерации на основной частоте и при внутрирезонаторном удвоении частоты при использовании активных элементов различных типов.

Введение

Неоднородность тепловыделения, возникающая в активных элементах (АЭ) твердотельных лазеров, построенных по продольной схеме накачки, является одной из проблем, препятствующих увеличению выходной мощности в условиях одномодовой генерации (TEM00) [1]. Суть проблемы заключается в том, что неоднородность температурного поля приводит к увеличению термооптических аберраций и, как следствие, к ухудшению качества пучка и резкому росту внутрирезонаторных потерь [2], что не позволяет полностью использовать преимущества схемы продольной полупроводниковой накачки - высокую оптическую эффективность в условиях одномодовой генерации.

Высокая энергетическая эффективность при сохранении качества пучка лазеров с выходной мощностью более нескольких ватт может достигаться за счет соответствующей конструкции резонатора и существенного уменьшения тепловых эффектов в активном элементе. Под этим подразумевается либо полное исключение вредного влияния тепловой линзы, либо его компенсация. Одним из способов является ориентация теплового потока коллинеарно направлению распространения лазерного пучка, что достигается, когда длина лазерной среды мала по сравнению с ее диаметром [3]. Примером такой конструкции могут служить лазеры с активным элементом в виде тонкого диска, охлаждаемого с одной или двух сторон [2, 4].

В настоящей работе выполнено экспериментальное исследование оптической силы термолинзы для трех конфигураций лазеров - с цилиндрическим и тонкодисковым активными элементами, а также сравнение зависимостей выходной мощности на основной и удвоенной внутри резонатора частоте при идентичных условиях накачки.

Экспериментальная установка

На рис. 1 представлены схемы накачки и контактного охлаждения активных элементов.

Цилиндрические АЭ (рис. 1а) представлены в двух вариантах: активный элемент (1) из Nd:YAG длиной 6 мм и составной активный элемент из Nd:YAG длиной 10 мм с наконечником из неактивированного кристалла YAG длиной 5 мм. Диаметры элементов 4 мм. Концентрация ионов Nd 1 ат.%. На торце активного элемента имеется двух-волновое покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент отражения на длине волны генерации (1064 нм) и высокий коэффициент пропускания на длине волны накачки (808 нм). Кристаллы установлены в медный корпус (2) через индиевую фольгу (3) тол-

щиной 100 мкм для обеспечения интенсивного и однородного теплоотвода с боковой поверхности. Резонатор лазера образован выходным зеркалом (4) и высокоотражаю-щим покрытием на торце активного элемента (1).

Излучение 1 2 ^

Излучение накачки 808 нм

Излучение лазера 1064 нм /

/

/

а) б)

Рис. 1. Схемы накачки и контактного охлаждения активных элементов цилиндрического типа (а); дискового типа (б): 1 - активный элемент; 2 - теплоотвод; 3 - теплопрово-дящая подложка; 4 - выходное зеркало; 5 - угловое зеркало

Во второй экспериментальной схеме (рис. 16) лазерный кристалл (1) выполнен в виде диска толщиной 2 мм и диаметром 7 мм из Nd:YAG с концентрацией ионов №3+ 1,1 ат.%, имеющего высокоотражающее покрытие на одной из сторон как для лазерного излучения, так и для накачки. Диск установлен на медный теплоотвод (2) через теп-лопроводящую подложку (3). Считая коэффициент теплоотвода через область контакта достаточно большим, можно ожидать, что установившееся температурное поле будет иметь квазипродольное распределение. Резонатор образован выходным зеркалом (4), угловым дихроичным зеркалом (5) и высокоотражающим покрытием на торце активного элемента (1).

Излучение накачки, доставляемое по волоконно-оптическому кабелю, формируется двухлинзовой оптической системой и в цилиндрический активный элемент вводится с торца. В случае дискового активного элемента накачка осуществляется через дихроичное зеркало. Поскольку длина активного элемента 2 мм, можно говорить о двойном проходе излучения накачки через кристалл.

Диаметр прокачанной зоны для всех конфигураций по уровню 1/в2 находится в диапазоне 0,75-1,05 мм.

Определение оптической силы термолинзы

При работе лазера в прокачанной области активного элемента происходит выделение тепла. Основной источник связан со стоксовым сдвигом длин волн накачки и генерации. Возникающий градиент температуры приводит, вследствие температурной зависимости показателя преломления и теплового расширения кристалла, к нарушению оптической однородности активного элемента и появлению термонаведенной линзы. Эта линза в первом приближении может быть охарактеризована оптической силой [5].

В настоящей работе для определения силы термолинзы используется метод резонатора, находящегося на границе устойчивости [6]. Использование других, более распространенных методов, таких как метод зондирующего луча Не-№ лазера или интер-ферометрический метод, затруднительно. Причинами, по которым данные методы не используются в настоящей работе, являются малые диаметры прокачанных зон в кристаллах и угловая схема резонатора в случае с дисковым активным элементом.

Принцип измерения оптической силы термолинзы пояснен на схеме, приведенной на рис. 2. Он заключается в определении длины резонатора, которой соответствует экви-

валентная полуконцентрическая конфигурация резонатора в зависимости от поглощенной мощности накачки. Такая конфигурация соответствует границе устойчивости лазерного резонатора. Искомая точка отчетливо определяется по резкому искажению структуры основной поперечной моды, снижению и срыву лазерной генерации. Переход от длин резонатора к значениям оптической силы термолинзы при различных значениях поглощенной мощности накачки осуществляется с помощью матричного метода.

Рис. 2. Схема экспериментального определения наведенной термолинзы

в активном элементе

На рис. 3 показана зависимость оптической силы термолинзы в АЭ от поглощенной мощности накачки. Дисковый АЭ с двойным проходом излучения накачки в среднем обеспечивает уменьшение наведенной термолинзы на 60% при сравнении с цилиндрическим и на 25% при сравнении с составным активным элементом.

Рис. 3. Экспериментально измеренные зависимости оптической силы термолинзы D от поглощенной мощности накачки Pabs. Пунктиоом показаны аппооксимиоованные тивые

Эффективность генерации на основной частоте

На рис. 4 показаны экспериментальные результаты зависимости выходной мощности Pout от поглощенной мощности накачки Pabs для разных конфигураций активных элементов. Оптическая длина резонатора для всех схем составляла 55 мм.

В первой схеме (с цилиндрическим активным элементом) одномодовая генерация сохраняется до уровня выходной мощности Pout = 2,1 Вт (точка (1) на рис. 4). Эффективность оптического преобразования (определяемая как отношение выходной мощности лазера к поглощенной в кристалле) составляет ^opt = (Pout / P^) = 38%; дифференциальная эффективность = (dPout / dPЛь) = 45%. При дальнейшем увеличении мощности накачки наблюдается снижение энергетической эффективности вследствие роста дифракционных потерь и срыв генерации.

Составной АЭ обеспечивает одномодовую генерацию до Pout = 5 Вт (точка (2)) с эффективностью оптического преобразования цopt = 48,5% и дифференциальной эффективностью ^d = 55%.

Как и ожидалось, схема с дисковым активным элементом обеспечивает наибольшую эффективность оптического преобразования ^opt = 50,5% и показывает возможность дальнейшего масштабирования выходной мощности. Профиль нулевой моды TEM00 сохраняется до значений мощности излучения лазера на уровне Pout = 7,7-7,8 Вт (точка (3)). Дифференциальная эффективность составляет = 58%.

Рис. 4. Зависимость выходной мощности Pout от поглощенной мощности накачки Pabs. Цифрами обозначены точки перехода к многомодовой генерации

Эффективность внутрирезонаторной генерации второй гармоники

Для генерации второй гармоники внутрь лазерного резонатора помещался нелинейный кристалл КТР 1,5x1,5x5 мм. Выходное зеркало 4 (рис. 1) заменялось на возвратное зеркало, которое имеет высокий коэффициент отражения на основной длине волны и длине волны второй гармоники (532 нм). Выходным зеркалом являлось дихро-ичное угловое зеркало 5 (устанавливалось в схему с цилиндрическими АЭ).

На рис. 5 показаны экспериментальные результаты зависимости выходной мощности второй гармоники Роиц532) от поглощенной мощности накачки Раьх.

В схеме с цилиндрическим активным элементом достигается значение выходной мощности РоШ (532) = 1,85 Вт при эффективности оптического преобразования ^0р1(532) = (Рои<532) / РЛ:) = 14,5%.

В схеме с составным активным элементом достигается значение выходной мощности Pout(532) = 2,8 Вт при эффективности преобразования "Лор(532) = 18%.

Схема с дисковым АЭ позволяет достигнуть значения выходной мощности Pout(532) = 3 , 2 Втс эффективностью оптического преобразования ^opt(532) = 19,2%, и, как и в случае генерации на основной частоте, показывает возможность дальнейшего масштабирования выходной мощности.

Рис. 5. Зависимость выходной мощности P0ut(532) на частоте второй гармоники от поглощенной мощности накачки Pabs

Измеренные данные зависимостей выходной мощности и оптической эффективности для лазеров с дисковым активным элементом свидетельствуют о сравнительно небольшом росте дифракционных потерь, следовательно, и о малом вкладе асферической составляющей тепловой линзы.

Заключение

В работе продемонстрированы два лазера на тонком диске:

- лазер на основной частоте с выходной мощностью РоШ = 7,7 Вт ТЕМоо с эффективностью оптического преобразования ^орЯ = 50,5% и дифференциальной эффективностью Цв = 58%.

- лазер с внутрирезонаторным преобразованием частоты во вторую гармонику с выходной мощностью Рои1 (5з2) = 3,2 Вт и эффективностью оптического преобразования

ЦорК5Ъ2) = 19,2%.

В ходе эксперимента получены зависимости выходной мощности и оптической силы термолинзы от поглощенной мощности накачки для разных конфигураций активных элементов. Проведенный эксперимент показывает преимущества дискового активного элемента; сокращение толщины кристалла и увеличение числа проходов излучения накачки приводит к уменьшению температурных искажений внутри кристалла (величины и асферической составляющей термолинзы) и, как следствие, позволяет добиться больших значений выходной мощности при генерации на основной частоте и при внутрирезонаторной генерации второй гармоники.

Литература

1. Clarkson W.A. Thermal effects and their mitigation in end-pumped solid- state lasers. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2001.V. 34. P. 2381-2395.

2. Koechner W. Solid-State Laser Engineering, Springer-Verlag, New York. 1999.

3. Contag K., Karszewski M., Stewen C., Giesen A., Hugel H. Theoretical modelling and experimental investigation of the diode-pumped thin-disk Yb:YAG laser (Erratum). // Quantum Electronics. 1999. Vol. 29 (8).

4. Martin W.S., Chernoch J.P.: US Patent No. 3, 633. 126 (January 1972).

5. Мезенов A.B., Соме Л.Н., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986.

6. Jiaan Zheng, Shengzhi Zhao, Lei Chen. Thermal lens determination of LD end-pumped solid-state laser with stable resonator by slit scanning method. // Optics & Laser Technology. 2002. Vol. 34.