Исследование наведенной термолинзы в твердотельных лазерах с продольной полупроводниковой накачкой

4

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА

ИССЛЕДОВАНИЕ НАВЕДЕННОЙ ТЕРМОЛИНЗЫ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ С ПРОДОЛЬНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ

А.Н. Степанов

Выполнен эксперимент по исследованию выходной мощности одномодовой генерации и оптической силы наведенной термолинзы в твердотельных лазерах с продольной полупроводниковой накачкой при использовании активных элементов различных типов.

Введение

Одной из проблем, препятствующих увеличению выходной мощности твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, является неоднородность тепловыделения в активном элементе (АЭ) [1]. Неоднородность тепловыделения 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.

Высокое качество пучка и сокращение внутрирезонаторных потерь может быть достигнуто 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 и одной или двух сторон [2, 4].

В настоящей работе выполнено экспериментальное сравнение зависимостей выходной мощности и оптической силы термолинзы для трех конфигураций лазеров - с цилиндрическим и тонкодисковым активными элементами при идентичных условиях накачки.

Экспериментальная установка

На рис. 1 представлены схемы накачки и контактного охлаждения АЭ.

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) толщиной 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).

Во второй экспериментальной схеме (рис. 1 б) лазерный кристалл (1) выполнен в виде диска толщиной 2 мм и диаметром 7 мм из Nd:YAG с концентрацией ионов Nd3+ 1,1 ат.%, имеющего высокоотражающее покрытие на одной из сторон как для лазерно-

го 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 высокоотражающем покрытием на торце активного элемента (1).

Излучение 1 накачки 808 нм

Излучение лазера 1064 нм

с 1

) I

:

Излучение накачки

а

5 4

Излучение лазера 1 064 нм

б

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

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 находится в диапазоне 0,8- 1,1 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.

В настоящей работе для определения силы термолинзы используется метод резонатора, находящегося на границе устойчивости [5]. 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.

Излучение накачки

Активный элемент

Контур моды

AL рез

Излучение лазера 1064 нм

Рис. 2. Схема экспериментального определения наведенной термолинзы

в активном элементе

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

Результаты эксперимента

На рис. 3 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 2,1 Вт (точка (1) на рис. 3). Эффективность оптического преобразования в зависимости от поглощенной мощности накачки составляет nopt = (Pout / Pabs) = 38%; дифференциальная эффективность цп = (dPout / dPabs) = 45%. При дальнейшем увеличении мощности накачки наблюдается снижение энергетической эффективности вследствие роста дифракционных потерь и срыв генерации.

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

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

На рис. 4 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.

Измеренные данные о зависимости выходной мощности и оптической эффективности для лазера с дисковым активным элементом свидетельствуют об отсутствии роста дифракционных потерь, следовательно, и о малом вкладе асферической составляю-

щей тепловой линзы. Сферическая составляющая тепловой линзы может быть скомпенсирована соответствующей конструкцией резонатора.

д _ —•— Цилиндрический АЭ

—— Цилиндрический составной АЭ —А— Дисковый АЭ

7 -6

Е 5-

CQ

ч—Г

о 4

3 -2 -1 О

А

А

(V

О

10 12 14 16 18 20 Pabs, Вт

Рис. 3. Зависимость выходной мощности Pout от поглощенной мощности накачки Pa^s. Цифрами обозначены точки перехода к многомодовой генерации

Рис. 4. Экспериментально измеренные зависимости оптической силы термолинзы О от поглощенной мощности накачки РаЬ8. Пунктиром показаны аппроксимированные

кривые.

Заключение

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 излуче-

ния накачки приводит к уменьшению температурных искажений внутри кристалла (величины и асферической составляющей термолинзы) и, как следствие, позволяет добиться больших значений выходной мощности при одномодовой генерации.

В работе продемонстрирован лазер с выходной мощностью до 7,7 Вт TEM00, с эффективностью оптического преобразования nopt = 50,5% и дифференциальной эффективностью цп = 58%.

Литература

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

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

3. K. Contag, M. Karszewski, C. Stewen, A. Giesen, H. Hugel, Theoretical modelling and experimental investigation of the diode-pumped thin-disk Yb:YAG laser (Erratum). // Quantum Electronics. 1999. V. 29. № 8.

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

5. 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. V. 34.