Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

вертора на основе, фторида LiYF4—Tm3+, генерирующего в голубой области спектра (межмультиплетный переход Ю2 —> 3# 4, см. рис. 1.14), и эксимерного XeF-лазера в качестве источника накачки. Резонансный характер возбуждения начального состояния lD 2 и преимущественно излучательная дезактивация ко­

рассеивается в виде тепла. Здесь важно отметить, что по этому параметру (теп­ ловыделению) гибридный LiYF4 — Tm3+/XeF-ia3ep имеет более чем десяти­

кратное преимущество перед современными лазерами на основе неодимовых стекол. В известном смысле генерирующую систему LiYF4 — Tm:,+/XeF мож­ но также рассматривать н как альтернативное решение к существующим спо­ собам временной компрессии излучения эксимерных лазеров [12], к тому же отличающееся простотой технического исполнения. Эксимерные лазеры, а также лазеры на основе органических красителей с ламповой накачкой в силу люминесцентно-кинетических особенностей генерирующих в них молекул с энергетической точки зрения на являются накопительными лазерами и функци­ онируют со сравнительно низкими пиковыми мощностями. Быстрая скорость распада их начальных лазерных уровней пз-за высокой вероятности спонтан­ ного излучения исключает возможность прямого получения в этих лазерах моноимпульсного режима с высокой эффективностью. Напротив, лазеры на основе активированных кристаллов относятся к классу накопительных [21, а высокая доля конверсии излучения, проявляемая ими в условиях резонансной накачки, создает предпосылки для конструирования высокомощных гибридных .лазе­ ров, в которых эффективный ненакопительный лазер накачивает кристалличе­ ский лазерный конвертор — временной компрессор излучения. При это.м гиб­ ридная система синтетически объединяет в' себе главные достоинства обоих типов лазеров: высокий энергетический КПД лазера накачки и высокую эф­ фективность монопмпульсного режима лазера на основе активированного кристалла. Изложенный подход временной компрессии лазерного излучения в [8] положен в основу разработки мощного генерирующего в голубой области спектра гибридного лазера на основе кристалла LiYF4 — Рг3+ (канал 3Р 0 —> —> 3# 4, см. рис. 1.9), накачиваемого лазером на красителе.

Вторым классом задач, которые можно решать с помощью кристаллических лазерных конверторов, являются задачи улучшения пространствеыно-угловых характеристик излучения лазеров, например уменьшение расходимости пучка. Дело в том, что при резонансном характере лазерной накачки будет обеспечиваться низкий уровень тепловыделения в активной среде конвертора, а это исключит возникновение в ней чрезмерных термических напряжений и связанных с ними аберраций оптики резонатора в целом. В результате этого волновой фронт в кристалле лазерного конвертора будет искажаться минимально и качество выходного излучения гибридного лазера будет высоким.

Лазерные кристаллические конверторы также широко используются в ис­ следованиях, нацеленных на расширение частот СИ твердотельных лазеров с высокими энергетическими параметрами. Наиболее часто здесь в качестве ис­ точников накачки применяется излучение основного генерационного канала —г 4 n /f (Яси ~ 1,06 мкм) и его вторая гармоника (Яг 0,53 мкм) хорошо разработанных и промышленно выпускаемых неодимовых стеклянных и крис­ таллических лазеров [6, 13—25]. Вторая гармоника этих лазеров служит глав­ ным образом для накачки конверторов, генерирующих в видимой области спек­ тра. Например, подходящими кристаллами для таких конверторов, эффективно преобразующих вторую гармонику неодимовых лазеров в СИ с другой длиной волны, являются, как следует из [5], тетрагональные фториды LiYF4, активи­ рованные ионами Но3+ (лазерный канал 6S2 —> б/ 7) и Er3* (4&/, —> */»/,). Ре­ зонансная схема накачки (см. рис. 1.24) конверторов на основе этих кристаллов и излучательный характер распада остаточного возбуждения с конечных их ла-

зерных уровней, обеспечивая минимальное тепловыделение в генерирующих элементах, позволили авторам [5] реализовать эффективное преобразованпе энергии накачки в СИ с длиной волны —0,75 мкм для кристаллов LiYF4 —

— Но3+ (эффективность ~20% ) и —0,85 мкм для LiYF4 — Ег3+ (—29%) в частотном режиме генерации (40 Гц) без ухудшения КПД конверсии и качества выходного лазерного пучка в течение нескольких минут. При этом средняя вво­ димая в активные среды конверторов плотность мощности равнялась ~ 1 5 кВт/л, а экстрагируемая------ 3 кВт/л и не использовалось специальное охлаждение генерирующих кристаллов. Различие значений экстрагируемой мощности л мощности, вводимой в активную среду конверторов, целиком определяется эффективностью конверсии, так как длительность выходных импульсов СИ понов Но3+ и Ег3+ практически совпадала с длительностью импульсов накачки, не­ смотря на то, что модулирование добротности резонаторов этих кристалличе­ ских лазерных конверторов не применялось. В последнем и не было надобности, поскольку импульс накачки был на несколько порядков короче люминесцентного времени жизни начальных лазерных уровней (3<S2 и 4&/,) исплользуемых актива­ торов. в результате включение кристаллических лазерных конверторов осуще­ ствлялось быстрым нарастанием коэффициента усиления их активных сред.

Аналогичные исследования также широко ведутся и с лазерными конверто­ рами на основе стекол, активированных ионами Ln3+ [26—28]. Имеются пли будут иметь определяющее преимущество кристаллы перед стеклами в твердо­ тельных лазерных конверторах? Этот вопрос не праздный. Такие физические свойства кристаллов [2, 29, 30], как диапазон их оптической прозрачности, ани­ зотропия, достаточно высокая метастабильность большого числа состояний их Ьп^-актпваторов и ряд других известных свойств, конечно, свидетельствуют в пользу лазерных кристаллов. Но окончательный ответ на выше поставленный вопрос могут дать только дальнейшие исследования н практика.

9.2, Кристаллические лазеры с накачкой излучением полупроводниковых инжекционных лазеров

На перспективность использования полупроводниковых инжекционных лазе* ров в качестве источника накачки лазеров на основе активированных диэлектри­ ческих кристаллов, по-видимому, впервые указывалось в [7, 31, 32]. Предпо­ сылкой этому послужил ожидавшийся для этой комбинации высокий результи­ рующий КПД как следствие высокоэффективного преобразования электрической энергии в лазерное излучение полупроводникового псточпика и возможность перестройки его длины волны, облегчающей спектральное согласование с поло­ сами поглощения актпваторпых ионов генерирующего диэлектрика. Авторы 132] отметили еще ряд обстоятельств, делающих эту комбинацию лазеров пред­ почтительней прямого использования выхода полупроводникового лазера. Здесь активированный диэлектрик, например, может действовать как временной ком­ прессор излучения полупроводниковых лазеров накачки. Энергия последних, накапливаясь на начальном метастабильном генерационном состоянии актнваторных ионов, может быть переизлучена в виде одного короткого импульса. Далее, генерирующий активированный кристалл может играть роль трансфор­ матора яркости излучения полупроводниковых лазеров. Собранная со всех на­ правлений энергия накачки инжекционных лазеров излучается затем в узком телесном угле, по крайней мере в 10* раз меньше угла, в котором излучает каждый полупроводниковый лазерный днод. И, наконец, температурная стабиль­ ность спектра СИ лазерного активированного кристалла много выше, и ширина его линии генерации значительно уже, чем у гетеролазера. Перечисленные достоинства составного лазера благоприятствуют его применениям, в частности

для волоконной связи и передачи информации [7], поскольку позволяют суще­ ственно повысить отношение сигнал/шум н снизить требования к уровню по­ терь в стекловолокне.

Несмотря на ясное понимание потенциальных достопнств полупроводниковой лазерной накачки кристаллических лазеров, достигнутое в 60-х годах, реализа­ ция их в полной мере началась лишь в последние годы, после того как были раз­ работаны [33] и созданы эффективные полупроводниковые гетеролазерные струк­ туры, генерирующие при 300 К как в импульсном, так и непрерывном режимах, (см., например, [34—37]). В результате усилий многих научных центров мира создана гамма гетеролазеров, перекрывающих спектральный диапазон от- —0,575 до —1,9 мкм. Часть этого диапазона (—0,7 -г- 0,9 мкм) может бытьохвачена генерацией двухсторонних гетероструктур на основе AlGaAs/GaA& [35].* На этих же структурах получены и нанвысшие результаты по энергетиче­ ским характеристикам. Так, полосковый гетеролазер на основе AlGaAs/GaAs- с шириной активного слоя около 100 мкм способен излучать в непрерывном ре­ жиме более 3 Вт, а в импульсном 8 Вт [38]. Выходная мощность линейной ре­ шетки длиной 1 см подобных гетеролазеров может превосходить 13 Вт в непре­ рывном [39] и 130 Вт в импульсном [40] режимах. Двумерная решетка из таких лазеров в импульсном режиме уже обеспечивает пзлучение с плотностью мощ­ ности более 2 кВт/см2 [41]. Перечисленные характеристики не являются предель­ ными. Имеются основания надеяться, что они в ближайшем будущем будут значительно улучшены. Здесь только добавим, что эффективность высокомощных полупроводниковых лазерных диодов приближается к 60%.

Успех в разработке гетеролазеров видимого диапазона иллюстрирует рис. 9.3. Эти лазеры уже сейчас могут использоваться в качестве источников накачки ла­ зеров на основе диэлектрических кристаллов с такими Ьи3+-активаторами, как Рг3+, Nd3+, Но3+, Ей3* и Т т 3+. На это указывают известные их каналы генерации СИ, начальные уровни которых расположены ниже 17 000 см-1 (см. главу 1). Пока наиболее коротковолновым гетеролазером, генерирующим при 300 К в непрерывном режиме, является AlGaInP-лазер [42]. Самым же коротковол­ новым (0,575 мкм) ннжекцпонным лазером в настоящее время является лазер, описанный в [43], а также следующий за ним недавно созданный непрерывный лазер (0,583 мкм) на основе четверной гетероструктуры AlGalnP [44], которые генерируют при криогенных температурах. Сведения о спектральном составе= других типов полупроводниковых лазеров можно найти в [30, 34, 35].

9.2.1.Основные схемы гетеролазерной накачки

Продольная и поперечная схемы полупроводниковой лазерной накачкп кристал­ лических лазеров с активными элементами в виде стержней в настоящее время являются наиболее используемыми. Выбор схемы определяется прежде всего выходной мощностью составного лазера и в меньшей степени спектральными характеристиками абсорбционной полосы накачки актйваторного иона.

Накопленный опыт свидетельствует о том, что продольная или торцевая схема возбуждения предпочтительна для кристаллических лазеров, генерирую­ щих в одномодовом ТЕМоа-режиме при умеренных уровнях выходной мощно­ сти. Такая конфигурация позволяет достаточно хорошо согласовывать накачи­ ваемый объем активированного кристалла с объемом ТЕМ00-моды резонатора лазера и работать с такими длинами стержней, какие необходимы для эффек­ тивного поглощения энергии возбуждения. В этой геометрии большие длины поглощения смягчают требования к стабильности спектра накачкп, а следо­ вательно, и к температурной стабильности инжекционного лазера. Здесь важно отметить одно обстоятельство. Из-за малых размеров активного слоя полосковой гетероструктуры (а -- 0,1 10 и Ь -■ 10 200 мкм) дифракционная расхо_ димость генерируемого излучения во внешней среде оказывается весьма зыа_

Рис. 9.5. Вид сверху (а) и сбоку (6) призменной анаморфотной оптиче­ ской системы связи составного ла­ зера [45] и схема (в) типичного ре­

зонатора его одномодового кристал­ лического диэлектрического лазера

1 — полосковый гетсролазер, г — линзыя

3 — призмы. 4 — лазерный диэлектриче­ ский кристалл, 3i — плоское и 3 2— сфе­

рическое зеркала. Простой штриховкой по­ казан объем заполнения резонатора TEMoo-модой. а перекрестной пггрихопкой — «прокачиваемый» объем активиро­ ванного кристалла излученнем[гетеролазсра

ному слою гетеролазера (рис. 9.5, а), после^коллнмации первой линзой его излу­ чение проходит через систему призм, не испытывая преобразования, н фоку­ сируется в активный элемент второй линзой. В ортогональной плоскости (рис. 9.5, б) призмы расширяют пучок, в результате чего после фокусирующей линзы сечение сходящегося пучка будет более округлым.

Использование такой системы связи позволило авторам [46] создать высоко­ эффективный (15,8%) одномодовый непрерывный лазер на основе кристалла YV04 — Nd3+ В числе факторов, обусловивших этот результат, находится хо­ рошее согласование накачиваемого объема с модовым объемом резонатора, кон­ фигурация которого (рис. 9.5, в) в настоящее время стала типичной для кри­ сталлических лазеров с торцевой лазерной накачкой. Как видно, резонатор образован плоским зеркалом в виде нанесенного на торец кристаллического