Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 79 УДК 621.3.038.825.2 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ Er3+,Yb3+:YAl3(BO3)4 МИКРОЧИП-ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Горбаченя К.Н.1, Кисель В.Э.1, Ясюкевич А.С.1, Кулешов Н.В.1,. Мальцев В.В.2, Леонюк Н.И.2 1Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий БНТУ г. Минск, Республика Беларусь 2МГУ им. М. Ломоносова, г. Москва, Российская Федерация Представлены генерационные характеристики микрочип-лазера на кристалле Er,Yb:YAl3(BO3)4 в режиме пассивной модуляции добротности для применения в дально- метрии. При использовании кристалла Co2+:MgAl2O4 в качестве пассивного затвора максимальная средняя выходная мощность составила 315 мВт на длине волны 1522 нм c длительностью импульсов 5 нс и энергией 5,25 мкДж при частоте следования 60 кГц. (E-mail: gorby@bntu.by) Ключевые слова: лазер, микрочип, эрбий, дальномер, пассивная модуляция добротности. Введение Внимание разработчиков лазерных систем для дальнометрии привлекает излучение спек- тральной области 1,5–1,6 мкм. Во-первых, оно является сравнительно безопасным для глаз. Такая особенность обусловлена достаточно вы- соким коэффициентом поглощения в этой об- ласти внешних элементов светопреломляющей системы глаза (роговицы и хрусталика), благо- даря чему лишь малая доля падающей энергии достигает чувствительной сетчатки. Во-вторых, излучение в области 1,5–1,6 мкм области обла- дает малыми потерями при прохождении через атмосферу. Сегодня существует ряд лазерных источников, излучающих в спектральной обла- сти 1,5–1,6 мкм: диодные лазеры, ВКР-лазеры, параметрические генераторы света. Однако наибольшее практическое распространение по- лучили твердотельные лазеры на основе фос- фатных стекол с ионами Er и Yb, отличающие- ся относительной простотой, компактностью и возможностью работы в режиме модулирован- ной добротности, необходимом для получения импульсов короткой длительности. На данных активных средах при использовании полупро- водниковых зеркал с насыщением поглощения (SESAM) [1], кристаллов Co2+:LaMgAl11O19 [2], Co 2+ :MgAl2O3 [3], Co 2+ :ZnSe [3] в качестве пас- сивных затворов эрбиевых микролазеров полу- чены лазерные импульсы с энергией 1–15 мкДж, длительностью 1,2–10 нс и частотой следова- ния 0,5–30 кГц. Основным недостатком, огра- ничивающим применение эрбиевых стекол в системах с непрерывной диодной накачкой, яв- ляется низкая теплопроводность матрицы (теп- лопроводность фосфатных стёкол составляет 0,85 Вт/м∙К). Для снятия таких ограничений ак- туальным является использование кристалличе- ских матриц для активации ионами Er и Yb. На сегодняшний день режим пассивной модуляции добротности реализован на кристаллах Er,Yb:Y3Al5O12 [4], Er,Yb:GdCa4O(BO3)3 [5], Er,Yb:YVO4 [6], и получены лазерные импульсы с энергией 1–4 мкДж, длительностью 5–150 нс и частотой следования до 29 кГц. В данной работе для повышения эффективности генерации, энер- гии импульсов и частоты их следования и, как следствие, увеличения предельной дальности из- мерений расстояний, уменьшения погрешности и сокращения времени измерений в качестве ак- тивной среды использовался кристалл YAl3(BO3)4 (YAB), активированный ионами Er3+ и Yb3+, кото- рый характеризуется достаточно высоким значе- нием теплопроводности (7,7 Вт/м∙К вдоль оси a и 6,6 Вт/м∙К вдоль оси с) [7, 8]. Экспериментальные результаты и обсуждение Для проведения лазерных экспериментов в непрерывном режиме генерации использовался плоско-параллельный резонатор, состоящий из Методы измерений, контроля, диагностики 80 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 входного плоского зеркала 3 с коэффициентом отражения на длине волны генерации R > 99,9 % и коэффициентом пропускания T > 97 % на длине волны накачки, активного элемента 4 и выходного зеркала с коэффициентом пропуска- ния T = 3 % на длине волны генерации, нане- сённого на поверхность активного элемента. Активный элемент 4 – кристалл Er (1,5 ат. %), Yb(12 ат. %):YAB толщиной 2 мм, вырезанный перпендикулярно оси с, был закреплен на ра- диаторе с термоэлектрическим охлаждением 5. Накачка осуществлялась InGaAs лазерным ди- одом 1, излучающим на длине волны около 976 нм, с максимальной мощностью 25 Вт и оптоволоконным выходом (диаметр волокна 105 мкм с числовой апертурой 0,22). Излуче- ние диода коллимировалось и фокусировалось на активном элементе системой 2 из двух линз с фокусными расстояниями 100 и 80 мм (рису- нок 1). Рисунок 1 – Схема установки для лазерных экспериментов в непрерывном режиме генерации: 1 – лазерный ди- од; 2 – фокусирующая система; 4 – активные элементы; 3 – входное плоское зеркало; 5 – радиатор с термоэлек- трическим охлаждением В непрерывном режиме генерации было получено лазерное излучение с максимальной выходной мощностью 800 мВт на длине волны 1602 нм и дифференциальной эффективностью по отношению к поглощенной мощности на- качки 16 % (рисунок 2). При увеличении по- глощенной мощности накачки наблюдалось снижение роста выходной мощности лазера, что свидетельствует о сильном влиянии терми- ческих эффектов в кристалле. В целях уменьшения влияния термических эффектов в активном элементе были проведены лазерные эксперименты с квазинепрерывной накачкой, для чего в канал накачки вводился механический модулятор со скважностью 20 %. Максимальная пиковая мощность выходного излучения составила 2 Вт на длине волны 1602 нм. Дифференциальная эффективность генера- ции по поглощенной мощности накачки при этом составила 19 %. Для проведения лазерных экспериментов в режиме пассивной модуляции добротности в схеме экспериментальной установки входное зеркало было заменено на пассивный затвор. В качестве пассивного затвора использовался кристалл магний-алюминиевой шпинели, леги- рованный ионами кобальта (Co2+:MgAl2O4) толщиной 0,75 мм с начальным пропусканием 98,5 % на длине волны 1520 нм. Входное зер- кало было нанесено на поверхность пассивного затвора. Максимальная средняя выходная мощ- ность в режиме пассивной модуляции доброт- ности составила 315 мВт на длине волны 1522 нм и дифференциальной эффективностью по отношению к поглощённой мощности на- качки 11 %. Частота следования импульсов ва- рьировалась от 10 до 60 кГц при изменении по- глощенной мощности излучения накачки от пороговой (2,7 Вт) до 6,25 Вт (рисунок 3). Рисунок 2 – Выходная характеристика лазера в не- прерывном режиме генерации Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 81 Рисунок 3 – Зависимости средней выходной мощно- сти (1) и частоты следования импульсов (2) от по- глощенной мощности накачки Значения длительности и энергии импульсов изменялись в пределах 5–8 нс и 4–5,25 мкДж, соответственно (рисунок 4). Моделирование ра- боты микрочип-лазера на основе балансных уравнений показало вполне удовлетворитель- ное соответствие расчетных и эксперименталь- но измеренных характеристик выходного излу- чения. Рисунок 4 – Зависимости энергии (1) и длительности импульсов (2) от поглощенной мощности накачки Заключение Представлен микрочип-лазер на основе кристалла иттрий-алюминиевого бората, со- активированного ионами Er3+ и Yb3+. В непре- рывном режиме генерации достигнута вы- ходная мощность 800 мВт на длине волны 1602 нм при поглощённой мощности накачки 7,7 Вт. В режиме пассивной модуляции добротности с использованием кристалла Co2+:MgAl2O4 в ка- честве пассивного затвора получена средняя мощность 315 мВт на длине волны 1522 нм c длительностью импульсов 5 нс и энергией 5,25 мкДж при частоте следования 60 кГц. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения высокочастотных Er,Yb:YAB микрочип-лазеров в составе порта- тивных лазерных дальномеров, работающих в условно безопасном спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм по методу накопления отраженных сигналов. Список использованных источников 1. Fluck, R. Eyesafe pulsed microchip laser using semiconductor saturable absorber mirrors / R. Fluck, R. Haring, R. Pascotta [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 1998. – Vol. 72, № 25. – P. 3273– 3275. 2. Thony, Ph. 1.55 μm passive Q-switched micro- chip laser / Ph. Thony, B. Ferrand, E. Molva // OSA Proceedings on Advanced Solid-State La- sers. – 998. – Vol. 19. – P. 150. 3. Kisel, V.E. Passive Q switches for a diode-pumped erbium glass laser / V.E. Kisel, V.G. Shcherbitskii [et al.] // Quantum Electronics – 2005. – Vol. 35, № 37. – P. 611–614. 4. Georgiou, E. 1.65-μm Er,Yb:YAG diode-pumped laser delivering 80-mJ pulse energy / E. Ge- orgiou [et al.] // Opt. Engineering – 2005. – Vol. 44, № 6. – P. 064202. 5. Hellstrom, J. Passive Q-switching at 1,54 μm of an Er,Yb: GdCa4O(BO3)3 laser with a Co 2+ :MgAl2O4 saturable absorber / J. Hellstrom, G. Karlsson, V. Pasiskevicius [et al.] // Appl. Phys. B. – 2005. – Vol. 81, № 1. – P. 49–52. 6. Tolstik, N.A. Spectroscopy, continuous-wave and Q-switched diode-pumped laser operation of Er,Yb:YVO4 crystal / N.A. Tolstik, A.E. Tro- shin, S.V. Kurilchik [et al.] // Appl. Phys. B. – 2007. – Vol. 86, № 2. – P. 275-278. 7. Tolstik, N.A. Er,Yb:YAl3(BO3)4-efficient 1.5 μm laser crystal / N.A. Tolstik, V. E. Kisel, N. V. Ku- leshov [et al.] // Appl. Phys. B. – 2009. – Vol. 97. – P. 357–362. 8. Tolstik, N.A. Excited state absorption, energy levels, and thermal conductivity of Er3+:YAB / N.A. Tolstik, G. Huber, V.V. Maltsev [et al.] // Appl. Phys. B. – 2008. – Vol. 92. – P. 567– 571. Методы измерений, контроля, диагностики 82 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Leonyuk N.I. High repetition rate microchip Er 3+ ,Yb 3+ :YAl3(BO3)4 diode-pumped laser Diode-pumped passively Q-switched microchip Er,Yb:YAl3(BO3)4 laser for range-finding has been demonstrated. By using a Co 2+ :MgAl2O4 as a saturable absorber TEM00–mode Q-switched average output power of 315 mW was demonstrated at 1522 nm with pulse duration of 5 ns and pulse energy of 5,25 μJ at a repetition rate of 60 kHz. (E-mail: gorby@bntu.by) Key words: laser, microchip, erbium, range finder, passively q-switched. Поступила в редакцию 26.07.2012.