Спектроскопические и генерационные характеристики лазерных кристаллов двойных вольфраматов в атермальных направлениях

Abstract

Объектом исследования являются лазерные элементы на основе кристаллов двойных редкоземельных вольфраматов атермального среза, активированных ионами тулия, гольмия и неодима. Цель работы - разработка мощных лазеров спектрального диапазона 0.5–2.1 мкм на основе кристаллов двойных вольфраматов, активированных ионами редких земель, с низкими термо-оптическими искажениями и существенно улучшенными генерационными характеристиками. Проведена модернизация установок, созданных для исследования генерационных характеристик лазеров на кристаллах двойных вольфраматов атермального среза. Установка снабжена держателями лазерных элементов, обеспечивающими их охлаждение, системами диодной накачки, зеркалами для построения резонаторов и измерительной аппаратурой. Рассчитаны обобщенные термооптические коэффициенты для главных меридиональных плоскостей и степень астигматизма термической линзы для активных элементов из лазерных кристаллов двойных вольфраматов KGW, KYW и KLuW и проведено исследование генерационных характеристик диодно накачиваемого лазера с активными элементами атермального среза на основе кристалла Nd:KGW. Создан лазер, генерирующий на длине волны λ = 1067.2 нм, активным элементом которого является Nd:KGW кристалл атермального среза. С использованием квазинепрерывного режима работы было проведено измерение поглощения атермального Nd:KGW кристаллаПри накачке излучением лазерного диода с длиной волны λ = 879 нм, кристалл Nd:KGW атермального среза поглощает 70 % мощности падающей накачки при ее значениях < 17.5 Вт. Установлено, что при непрерывном режиме работы лазера, разрушение кристалла наступает при уровне 18.3 Вт. При накачке лазерным диодом с длиной волны 879 нм в квазинепрерывном режиме Nd:KGW лазер генерирует излучение мощностью 13.7 Вт. Определены оптимальные параметры конфигурации резонатора лазера и его выходного зеркала. Проведено исследование характеристик мини- лазера с удвоением частоты при атермальном срезе Nd:KGW элемента. Параметры данного лазера с удвоением частоты исследовались в сравнении с параметрами лазера, в котором в качестве активного элемента использовался Nd:KGW кристалл традиционного b-среза, имеющий аналогичные размеры. Установлено, что кристалл атермального среза обеспечивает более высокую мощность второй гармоники, генерируемой на λ=533.6 нм. При максимальной мощности падающей накачки ~28.4 Вт максимальная пиковая мощность второй гармоники в случае кристалла атермального среза составила ~3.4 Вт, что на 1.2 Вт выше, чем в случае кристалла стандартного Np – среза. Согласно литературным данным достигнутая пиковая мощность для квазинепрерывных Nd:KGW лазеров с удвоением частоты является рекордной. Запись осциллограмм мощности второй гармоники показала, что исследуемому Nd:KGW/КТР лазеру свойственны хаотические флуктуации интенсивности выходного излучения. Эти хаотические пульсации, носящие название «зеленой проблемы», возникают в том случае, когда на фундаментальной частоте лазера (λ=1067.2 нм) генерируются одновременно несколько продольных мод резонатора (никаких мер для селекции продольных мод в исследуемом лазере не применялось). Проведено исследование генерационных характеристик диодно накачиваемого лазера с Nd:KGW активным элементом атермального среза в случае рабочего перехода 4F3/2 – 4I13/2 (λ=1351 нм). В случае резонатора длиной Lр~34 мм, составленного входным вогнутым сферическим зеркалом и плоским выходным отражателем с коэффициентом пропускания Tout ~8 %, мощность квазинепрерывной генерации лазера на λ = 1351 нм являлась максимальной и практически линейно возрастала с увеличением мощности падающего на кристалл излучения накачки и достигала ~1.3 Вт. Измерения показали, что при изменении длины резонатора от 34 до 50 мм выходная мощность лазера практически не изменялась. Исследованы спектроскопические характеристики кристаллов Tm:KYW и Tm:KLuW, ориентированных в атермальных направлениях. Выполнены поляризационные исследования спектров спонтанного комбинационного рассеяния кристалла Nd:KGd(WO4)2 атермального среза. Все частотные сдвиги приписаны колебаниям соответствующих структурных единиц кристаллической решетки. Полученные результаты показали, что в исследуемом образце ось атермального среза по характеристикам близка к оси Np оптической индикатрисы кристалла, поэтому при ВКР-преобразовании следует ожидать получения излучения с частотными сдвигами только ~ 902 см-1 или одновременно 768 и ~ 902 см-1 в зависимости от направления поляризации лазерного излучения по отношению к оси атермального среза. С использованием кристалла Nd:KGd(WO4)2 (Nd:KGW) атермального среза длиной создан и протестирован квазинепрерывный диодно-накачиваемый (λ=880 нм) лазер, резонатор которого имеет спектральную зависимость добротности, потенциально обеспечивающую режим ВКР-самопреобразования основного лазерного излучения, генерируемого на λ=1067 нм. Данный эксперимент был направлен на исследование возможности нелинейно-оптического ВКР-преобразования излучения в кристаллах двойных вольфраматов атермального среза. Выявлено, что хотя в спектрах спонтанного КР кристаллов Nd:KGW атермального среза присутствуют, как указано выше, линии КР, смещенные по частоте на 767 и 901 см-1, коэффициент усиления ВКР g в направлении атермального среза, которое не совпадает ни с одним из направлений главных осей оптической индикатрисы, в силу моноклинной структуры KGW, обуславливающей сильную анизотропию его оптико-физических свойств, является чрезвычайно низким и порог достижения ВКР-генерации граничит с лучевой стойкостью кристалла. Для активного Tm:KY(WO4)2 (Tm:KYW) элемента атермального среза осуществлена непрерывная генерация вынужденного излучения в канале иона тулия 3F4 → 3H6 (длина волны генерации вблизи 2 мкм). При мощности непрерывной накачки 1.4 Вт мощность непрерывной генерации 2-мкм лазера составила 0.1 Вт. С использованием кристаллов двойных вольфраматов атермального среза, созданы макеты мини, микрочип и слэб лазеров, работающих в спектральном диапазоне 0.5 – 2.2 мкм. Макет мини лазера на основе Nd:KGW элемента атермального среза, работающего на длине волны 1.0672 мкм, обеспечивает генерацию непрерывного излучения с мощностью до 7.3 Вт. Для макета мини лазера на основе Nd:KGW элемента атермального среза, осуществляющего внутрирезонаторное удвоение частоты основного лазерного излучения, мгновенная мощность излучения второй гармоники с длиной волны 5336.6 нм составила 3.5 Вт. Макет мини лазера на основе Nd:KGW элемента атермального среза, работающего на длине волны 1.351 мкм , обеспечивает генерацию с мощностью до 1 Вт. Макет слэб-лазера на основе кристалла Tm:KLuW атермального среза характеризуется генерацией излучения с длиной волны вблизи 2 мкм с выходной мощностью не менее 10 Вт.