eng
Выпуск #2/2010
В. Бадиков, Д. Бадиков, М. Дорошенко.
Лазер среднего ИК-диапазона на кристалле PbGa2S4:Dy3+
Лазер среднего ИК-диапазона на кристалле PbGa2S4:Dy3+
Просмотры: 2800
Выращенные кристаллы PbGa2S4:(Dy3+,Na+) с высокой оптической однородностью и повышенной концентрацией активатора (ионов Dy3+) позволили использовать высокие энергии накачки без оптического пробоя активного элемента. Впервые в среднем ИК-диапазоне длин волн была получена высокая энергия импульса генерации до 15 мДж с эффективностью до 4%.
Кристаллы тиогаллата свинца, активированные ионами диспрозия (PbGa2S4:Dy3+), являются перспективной активной средой для лазеров среднего ИК-диапазона [1-4].
Из-за значительного различия ионных радиусов Pb2+ и Dy3+ (1,29Α/1,03Α в восьмерной координации), введение в кристаллическую матрицу даже 1% ат. диспрозия приводит к значительному ухудшению ее оптической однородности и нарушает воспроизводимость лазерных свойств выращенных активных кристаллов [3]. При этом дополнительная соактивация PbGa2S4:Dy3+ щелочным ионом Na+ способствует как смягчению проблемы значительного различия ионных радиусов Pb2+ и Dy3+, так и решению традиционной задачи зарядовой компенсации, что в результате позволяет улучшить оптическое качество и увеличить концентрацию ионов диспрозия в выращенных кристаллах.
Генерационные свойства активных элементов из кристаллов PbGa2S4:(Dy3+, Na+) исследовались при оптической накачке излучением лазера на кристалле YAG:Nd3+, который работал в режиме свободной генерации на длине волны 1,318 мкм. В экспериментах использовались: мощный двухэлементный лазер (два активных элемента YAG:Nd размером 6,3×100 мм) с ламповой накачкой для получения высоких выходных энергий и малогабаритный лазер на кристалле YAG:Nd с диодной накачкой со средней выходной мощностью до 3 Вт для исследования возможности создания компактного источника излучения в среднем ИК-диапазоне длин волн (4-6 мкм).
Оптический резонатор лазера на основе активированного тиогаллата свинца был образован двумя зеркалами: входное плоское дихроичное зеркало с максимумом пропускания на длине волны накачки 1,318 мкм и максимальным отражением R=0,998 в диапазоне длин волн 4-5,5 мкм. Выходное зеркало резонатора с радиусом кривизны 500 мм было установлено на расстоянии порядка 40 мм от плоского входного зеркала. Для оптимизации энергии генерируемого излучения использовали выходные зеркала с различными коэффициентами отражения. Излучение накачки фокусировалось в активный элемент линзой с фокусным расстоянием 100 мм.
Измерение выходной энергии генерации лазера на кристалле PbGa2S4: (Dy3+, Na+) осуществляли с помощью измерителя мощности EPM-2000 фирмы Coherent. Спектры генерации регистрировали с помощью монохроматора МДР-23 с решеткой 150 штр/мм, охлаждаемого жидким азотом приемника на основе антимонида индия и цифрового осциллографа TDS-3052 фирмы Tektronix, подключенного к персональному компьютеру. Измерение профиля пучка генерации лазера на основе активированного кристалла тиогаллата свинца осуществлялось с помощью камеры фирмы Spiricon.
Зависимость выходной энергии импульса генерации PbGa2S4:(Dy3+, Na+) лазера от поглощенной энергии излучения накачки для различных коэффициентов отражения выходного зеркала показана на рис.1. Как видно из рисунка, максимальные значения энергии импульса генерации (4,5 мДж) и дифференциального КПД (3,6%) были получены для выходного зеркала с коэффициентом отражения R1=85% на длине волны 4,3 мкм. Необходимо отметить, что измеренный в таком резонаторе спектр генерации лазера на кристалле PbGa2S4:(Dy3+, Na+), приведенный на рис.2, показывает, что на ионах диспрозия реализуется каскадный тип генерации. Действительно, длина волны 5,4 мкм соответствует максимуму люминесценции ионов диспрозия в кристалле тиогаллата свинца на электронном переходе 6H9/2-6H11/2 (см. рис.2). Накачка ионов диспрозия лазерным излучением 1,318 мкм приводит первоначально к заселению уровня 6H9/2, а затем возбуждение попадает на верхний лазерный уровень 6H11/2, с которого и происходит последующая генерация на длине волны 4,3 мкм. Из проведенного ранее анализа [1] следует, что на переходе 6H9/2-6H11/2 в отсутствие лазерной генерации заселение верхнего лазерного уровня 6H11/2 происходит в основном за счет безызлучательной релаксации с уровня 6H9/2, эффективность которой не очень высока за счет «короткого» фононного спектра в кристалле тиогаллата свинца. При этом доля излучательных переходов с уровня 6H9/2 на уровень 6H11/2 составляет всего 12%. Включение канала генерации на переходе 6H9/2-6H11/2 позволяет существенно ускорить процесс заселения уровня 6H11/2 и повысить эффективность генерации PbGa2S4:(Dy3+, Na+)-лазера.
На рис.3 приведены измеренные зависимости выходной энергии генерации лазера на кристалле PbGa2S4:(Dy3+, Na+) от поглощенной энергии при накачке мощным YAG:Nd-лазером с ламповой накачкой при длительности импульса разряда лампы накачки 1,5 мс. Достигнутая максимальная энергия импульса генерации в этом случае составила 15 мДж при величине дифференциального КПД генерации 4%, что существенно превышает достигнутые ранее значения [1-4].
При использовании в качестве источника накачки малогабаритного лазера YAG:Nd с диодной накачкой максимальный дифференциальный КПД генерации по поглощенной энергии был близок к величине, полученной для случая ламповой накачки, и составил 3,2% (рис.4). Здесь необходимо отметить, что при использовании длительностей накачки вплоть до 4 мс эффектов снижения эффективности генерации за счет самоограниченности лазерного перехода 6H11/2-6H13/2 не наблюдалось.
Таким образом, выращенные кристаллы PbGa2S4:(Dy3+,Na+) с высокой оптической однородностью и повышенной концентрацией активатора (ионов Dy3+) позволили, с одной стороны, использовать высокие энергии накачки без оптического пробоя активного элемента и впервые получить высокую энергию импульса генерации до 15 мДж с эффективностью до 4% в среднем ИК-диапазоне длин волн. При этом был реализован режим каскадной генерации ионов диспрозия на переходах 6H9/2-6H11/2 и 6H11/2-6H13/2 с длинами волн генерации 5,4 мкм, 4,65 мкм, 4,5 мкм и 4,3 мкм. С другой стороны, высокое оптическое качество выращенных кристаллов позволило получить низкий порог генерации в среднем ИК-диапазоне длин волн, что дало возможность использовать в качестве источника накачки малогабаритный лазер на кристалле YAG:Nd с диодной накачкой и получить эффективную генерацию (с эффективностью до 3,2%) в компактной «настольной» схеме.
В обсуждении результатов и в проведении исследований принимали активное участие Т. Басиев, В. Осико, В. Панютин и Г. Шевырдяева. За это мы выражаем им свою благодарность.
Литература
1. Basiev T., Doroshenko M., Osiko V. et al. Mid IR laser oscillations in new low phonon PbGa2S4:Dy3+ crystal. - OSA TOPS, 2005, v. 98.
2. Orlovskii Yu., Basiev T., Pukhov K. et al. Mid-IR transitions of trivalent neodymium in low phonon laser crystals. - Optical Materials, 2007, 29.
3. Badikov V., Badikov D., Doroshenko M. et al. Optical properties of lead thiogallate. - Optical Materials, 2008, v. 31.
4. Doroshenko M., Basiev T., Osiko V. et al. Oscillation properties of dysprosium-doped lead thiogallate crystal. - Optics Letters, 2009, v. 34 (5).
Из-за значительного различия ионных радиусов Pb2+ и Dy3+ (1,29Α/1,03Α в восьмерной координации), введение в кристаллическую матрицу даже 1% ат. диспрозия приводит к значительному ухудшению ее оптической однородности и нарушает воспроизводимость лазерных свойств выращенных активных кристаллов [3]. При этом дополнительная соактивация PbGa2S4:Dy3+ щелочным ионом Na+ способствует как смягчению проблемы значительного различия ионных радиусов Pb2+ и Dy3+, так и решению традиционной задачи зарядовой компенсации, что в результате позволяет улучшить оптическое качество и увеличить концентрацию ионов диспрозия в выращенных кристаллах.
Генерационные свойства активных элементов из кристаллов PbGa2S4:(Dy3+, Na+) исследовались при оптической накачке излучением лазера на кристалле YAG:Nd3+, который работал в режиме свободной генерации на длине волны 1,318 мкм. В экспериментах использовались: мощный двухэлементный лазер (два активных элемента YAG:Nd размером 6,3×100 мм) с ламповой накачкой для получения высоких выходных энергий и малогабаритный лазер на кристалле YAG:Nd с диодной накачкой со средней выходной мощностью до 3 Вт для исследования возможности создания компактного источника излучения в среднем ИК-диапазоне длин волн (4-6 мкм).
Оптический резонатор лазера на основе активированного тиогаллата свинца был образован двумя зеркалами: входное плоское дихроичное зеркало с максимумом пропускания на длине волны накачки 1,318 мкм и максимальным отражением R=0,998 в диапазоне длин волн 4-5,5 мкм. Выходное зеркало резонатора с радиусом кривизны 500 мм было установлено на расстоянии порядка 40 мм от плоского входного зеркала. Для оптимизации энергии генерируемого излучения использовали выходные зеркала с различными коэффициентами отражения. Излучение накачки фокусировалось в активный элемент линзой с фокусным расстоянием 100 мм.
Измерение выходной энергии генерации лазера на кристалле PbGa2S4: (Dy3+, Na+) осуществляли с помощью измерителя мощности EPM-2000 фирмы Coherent. Спектры генерации регистрировали с помощью монохроматора МДР-23 с решеткой 150 штр/мм, охлаждаемого жидким азотом приемника на основе антимонида индия и цифрового осциллографа TDS-3052 фирмы Tektronix, подключенного к персональному компьютеру. Измерение профиля пучка генерации лазера на основе активированного кристалла тиогаллата свинца осуществлялось с помощью камеры фирмы Spiricon.
Зависимость выходной энергии импульса генерации PbGa2S4:(Dy3+, Na+) лазера от поглощенной энергии излучения накачки для различных коэффициентов отражения выходного зеркала показана на рис.1. Как видно из рисунка, максимальные значения энергии импульса генерации (4,5 мДж) и дифференциального КПД (3,6%) были получены для выходного зеркала с коэффициентом отражения R1=85% на длине волны 4,3 мкм. Необходимо отметить, что измеренный в таком резонаторе спектр генерации лазера на кристалле PbGa2S4:(Dy3+, Na+), приведенный на рис.2, показывает, что на ионах диспрозия реализуется каскадный тип генерации. Действительно, длина волны 5,4 мкм соответствует максимуму люминесценции ионов диспрозия в кристалле тиогаллата свинца на электронном переходе 6H9/2-6H11/2 (см. рис.2). Накачка ионов диспрозия лазерным излучением 1,318 мкм приводит первоначально к заселению уровня 6H9/2, а затем возбуждение попадает на верхний лазерный уровень 6H11/2, с которого и происходит последующая генерация на длине волны 4,3 мкм. Из проведенного ранее анализа [1] следует, что на переходе 6H9/2-6H11/2 в отсутствие лазерной генерации заселение верхнего лазерного уровня 6H11/2 происходит в основном за счет безызлучательной релаксации с уровня 6H9/2, эффективность которой не очень высока за счет «короткого» фононного спектра в кристалле тиогаллата свинца. При этом доля излучательных переходов с уровня 6H9/2 на уровень 6H11/2 составляет всего 12%. Включение канала генерации на переходе 6H9/2-6H11/2 позволяет существенно ускорить процесс заселения уровня 6H11/2 и повысить эффективность генерации PbGa2S4:(Dy3+, Na+)-лазера.
На рис.3 приведены измеренные зависимости выходной энергии генерации лазера на кристалле PbGa2S4:(Dy3+, Na+) от поглощенной энергии при накачке мощным YAG:Nd-лазером с ламповой накачкой при длительности импульса разряда лампы накачки 1,5 мс. Достигнутая максимальная энергия импульса генерации в этом случае составила 15 мДж при величине дифференциального КПД генерации 4%, что существенно превышает достигнутые ранее значения [1-4].
При использовании в качестве источника накачки малогабаритного лазера YAG:Nd с диодной накачкой максимальный дифференциальный КПД генерации по поглощенной энергии был близок к величине, полученной для случая ламповой накачки, и составил 3,2% (рис.4). Здесь необходимо отметить, что при использовании длительностей накачки вплоть до 4 мс эффектов снижения эффективности генерации за счет самоограниченности лазерного перехода 6H11/2-6H13/2 не наблюдалось.
Таким образом, выращенные кристаллы PbGa2S4:(Dy3+,Na+) с высокой оптической однородностью и повышенной концентрацией активатора (ионов Dy3+) позволили, с одной стороны, использовать высокие энергии накачки без оптического пробоя активного элемента и впервые получить высокую энергию импульса генерации до 15 мДж с эффективностью до 4% в среднем ИК-диапазоне длин волн. При этом был реализован режим каскадной генерации ионов диспрозия на переходах 6H9/2-6H11/2 и 6H11/2-6H13/2 с длинами волн генерации 5,4 мкм, 4,65 мкм, 4,5 мкм и 4,3 мкм. С другой стороны, высокое оптическое качество выращенных кристаллов позволило получить низкий порог генерации в среднем ИК-диапазоне длин волн, что дало возможность использовать в качестве источника накачки малогабаритный лазер на кристалле YAG:Nd с диодной накачкой и получить эффективную генерацию (с эффективностью до 3,2%) в компактной «настольной» схеме.
В обсуждении результатов и в проведении исследований принимали активное участие Т. Басиев, В. Осико, В. Панютин и Г. Шевырдяева. За это мы выражаем им свою благодарность.
Литература
1. Basiev T., Doroshenko M., Osiko V. et al. Mid IR laser oscillations in new low phonon PbGa2S4:Dy3+ crystal. - OSA TOPS, 2005, v. 98.
2. Orlovskii Yu., Basiev T., Pukhov K. et al. Mid-IR transitions of trivalent neodymium in low phonon laser crystals. - Optical Materials, 2007, 29.
3. Badikov V., Badikov D., Doroshenko M. et al. Optical properties of lead thiogallate. - Optical Materials, 2008, v. 31.
4. Doroshenko M., Basiev T., Osiko V. et al. Oscillation properties of dysprosium-doped lead thiogallate crystal. - Optics Letters, 2009, v. 34 (5).
Отзывы читателей
