Compact 999.6 nm Actively Q-Switched Yb3+:LuAlO3 Laser for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Rudenkov, Alexander; Kisel, Viktor; Yasukevich, Anatol; Hovhannesyan, Karine; Petrosyan, Ashot; Kuleshov, Nikolai

doi:10.21122/2220-9506-2019-10-2-119-127

DOI

10.21122/2220-9506-2019-10-2-119-127

Authors

Date

2019

Publisher

БНТУ

Another Title

Компактный лазер на кристалле Yb3+:LuAlO3 с активной модуляцией добротности резонатора, излучающий на длине волны 999,6 нм для применения в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии

Bibliographic entry

Compact 999.6 nm Actively Q-Switched Yb3+:LuAlO3 Laser for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy = Компактный лазер на кристалле Yb3+:LuAlO3 с активной модуляцией добротности резонатора, излучающий на длине волны 999,6 нм для применения в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии / Alexander Rudenkov [et al.] // Приборы и методы измерений : научно-технический журнал. – 2019. – Т. 10, № 2. – С. 119-127.

Abstract

Compact actively Q-switched diode-pumped lasers based on Yb3+-materials are of practical importance for wide range of scientific, industrial and biomedical applications. The aim of this work was to study the Yb3+:LuAlO3 actively Q-switched laser. One of the most promising crystalline hosts for rare-earth ions are Perovskite-like aluminate crystals. Yttrium aluminate crystal YAlO3 (YAP) is a well-known host with good thermal and mechanical properties (thermal conductivity for undoped crystal is about 11 W/m·K and about 8 W/m·K for Yb(5 at.%):YAP) similar to those of YAG. The reduction in the thermal conductivity of doped laser crystal in comparison with host materials is small in the case of ions with close atomic mass and ionic radii such as for Yb3+ and Lu3+. This feature makes LuAlO3 (LuAP) more promising host crystal for doping by Yb3+ ions in contrast to YAP especially for high output power laser systems. In our work, for the first time to the best of our knowledge actively Q-switching laser operation of Yb3+:LuAP single crystal was demonstrated. The maximum average output power of 4.9 W at 50 kHz pulse repetition frequency (PRF) with opt.-to-opt. efficiency of 21 % was obtained with 30 % OC transmittance. Output power as high as 3.3 W with 333 μJ-laser pulses with duration of about 11.5 ns was demonstrated at 10 kHz PRF the corresponding pulse peak power was 29 kW. 97 μJ second harmonic pulses obtained with 29 % conversion efficiency at 10 kHz PRF. Performed investigations show high potential of Yb3+:LuAP crystals as active elements of compact diode pumped actively Q-switched lasers due to high stimulated emission cross-section (≈ 3.74·10-20 cm2) at 999.6 nm wavelength and significant reduction of heat load on the active element when pumping around 980 nm and generation around 999 nm.

Abstract in another language

Компактные лазеры с активной модуляцией добротности резонатора, построенные на материалах, легированных ионами Yb3+, представляют практический интерес для широкого ряда научных, промышленных и биомедицинских применений. Целью данной работы являлось исследование режима активной модуляции добротности резонатора лазера на кристалле Yb3+:LuAlO3. Одними из наиболее перспективных матриц для легирования ионами редкоземельных элементов являются кристаллы алюминатов со структурой перовскита. Кристаллы иттриевого алюмината YAlO3 (YAP) широко известны в качестве матриц благодаря хорошим термомеханическим свойствам (теплопроводность нелегированного кристалла около 11 Вт/м·К и около 8 Вт/м·К для Yb(5 ат.%):YAP), близким к кристаллам YAG. Снижение теплопроводности лазерного кристалла при легировании по сравнению с чистой матрицей мало в случае незначительно отличающихся атомных масс и ионных радиусов как в случае с ионами Yb3+ и Lu3+. Данная особенность делает кристалл LuAlO3 (LuAP) значительно более перспективной матрицей для ионов Yb3+ по сравнению с YAP особенно в случае лазерных систем с высокой средней выходной мощностью. Режим активной модуляции добротности лазера на кристалле Yb3+:LuAP исследован впервые в нашей работе. Максимальная средняя выходная мощность 4,9 Вт получена при частоте следования импульсов 50 кГц и оптической эффективности 21 % с применением выходного зеркала пропусканием 30 %. Выходная мощность 3,3 Вт, длительность импульса 11,5 нс получены при частоте следования импульсов 10 кГц, энергия импульса составила 333 мкДж, пиковая мощность 29 кВт. Импульсы энергией 97 мкДж при частоте следования 10 кГц получены на частоте второй гармоники с эффективностью преобразования 29 %. Проведенные исследования показывают, что благодаря высокому поперечному сечению стимулированного излучения (≈ 3,74·10-20 см2) на длине волны 999,6 нм, а также существенному снижению тепловой нагрузку на активный элемент при накачке в области 980 нм и генерации в области 999 нм, кристаллы Yb3+:LuAP весьма перспективны в качестве активных элементов компактных твердотельных лазеров с диодной накачкой, работающих в режиме активной модуляции добротности.