Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

Рис. 9.7. Вариант поперечной схемы накачки лазерного кристалла (1) и з л у ч е н и е м гетерола-

зерных линеек (2)

Зачерненная поверхность стержня — отражающее покрытие для повышения эффективности накачки (3}

Рис. 9.8.] Зависимость энергии СИ ионов Nd3+ (канал 4f y - » 4/ ид , режим свободной генера-

цнп, 300 К) в кристаллах от энергии (возбуждения) излучения гетеролазерного источника накачки [23]

3 — YA10* (лагерная ось ориентирована параллельно кристаллографической оси а), г — YjAl,Oi.

стержня высокоотражающего (R ~ 100%) диэлектрического покрытия на волне СИ активированного кристалла и выносного выходного сферического зеркала (Д л; 95%). В таких случаях также предусматривается, чтобы на волне генера­ ции гетеролазера накачки плоское зеркало имело максимальное пропускание, а второй торец кристалла имел просветление для снижения потерь на рабочей волне кристаллического лазера. Для такого резонатора радиус перетяжки ТЕМ00-моды на его плоском зеркале равен

(9.11)

здесь гс.3 — радиус сферического зеркала, X — длина волны, а

D = Ып + I,

где L — длина лазерного стержня, I — расстояние от него до зеркала п н — показатель преломления кристалла на его волне СИ.

Кристаллические лазеры с торцевым полупроводниковым лазерным возбуж­ дением обладают достаточно высокой эффективностью, но их выходная мощность ограничена размерами генерируемого объема их активного элемента и яр­ костью излучения гетеролазеров накачки. Для преодоления этого прппятствпя можно, например, мощности генерацнн многих лазерных диодов объединить в пространстве, чтобы обеспечить больший энерговклад в значительном объеме лазерного кристалла. Так, в [47] для накачки лазера на основе кристалла Y3A160 12 Nd3+ излучение семи мощных пространственно разнесенных ге­ теролазеров суммировалось простой световодной системой, схема которой показана на рис. 9.6.

Поперечная схема накачки с использованием монолитных одно- и двумерных гетеролазерных решеток — второй путь повышения энергетических характе­ ристик кристаллических лазеров с полупроводниковой лазерной накачкой. На рис. 9.7 изображена одна из возможных схем поперечной накачки, конфи­ гурация которой естественным образом задается формой стержня лазерного кристалла, а число используемых в ней гетеролазерных решеток определяется стерическим фактором. Другие геометрии активного кристаллического элемента

(бруски, диски и т. д.) потребуют применения иной архитектуры всей системы лазерный кристалл—гетеролазеры накачки, но основной признак поперечной схемы возбуждения — ортогональность оси резонатора к направлению потоков излучения гетеролазерных решеток — сохранится.

К преимуществам поперечной схемы возбуждения относится простота ком­ поновки множества гетеролазерных источников накачки относительно кристал­ лического лазерного элемента, а также мягкость требований к пространственноугловым параметрам пх излучения. Использование схемы поперечной накачки, вероятно, целесообразно при создании кристаллических лазеров с высокими выходными мощностями генерации в одно- и многомодовых режимах генерации. По эффективности поперечная схема пока уступает продольной. Последнее

к низким плотностям возбуждения при уровне выходной мощности существую­ щих инжекционных гетеролазеров.

9.2.2.Генерация стимулированного излучения кристаллов

с1ла+-ионами с полупроводниковой лазерной накачкой

Современный прогресс в области создания и исследования твердотельных ла­ зеров с накачкой излучением инжекционных полупроводниковых лазерных диодов во многом определяется накопленной за многие годы обширной инфор­ мацией по спектроскопическим свойствам кристаллов с Ьп3+-ионами, достигну­ тым пониманием природы физических процессов, которые обусловливают воз­ никновение и протекание в них СИ, а также большим числом их открытых межмультиплетных генерационных каналов и разработанных новых функциональ­ ных лазерных схем. Все эти фундаментальные знания и опыт вместе с недавно созданными мощными геторолазерами заставляют более внимательно взглянуть на дальнейшее развитие проблемы лазерных кристаллов как в поисковом аспек­ те, так и в аспекте улучшения параметров уже известных генерирующих со­ единений и в целом, конечно, на всю проблему твердотельных кристаллических лазеров. В первую очередь это относится к концепции широкополосной лампо­ вой накачки. Роль и место этого способа накачки в квантовой электронике должны быть самым серьезным образом переосмыслены. Также должны быть пересмотрены и дополнительно изучены спектроскопические свойства известных лазерных кристаллов с Lп3+-активаторами. Не исключено, что многие из них более перспективны для лазеров с гетеролазерным возбуждением, чем те, которые сейчас широко используются. Многие жесткие требования, которые предъявляются к генерирующим кристаллам с ламповым возбуждением, будут сняты в случае их использования в лазерах с полупроводниковой лазерной на­ качкой. Другими словами, весь арсенал известных лазерных кристаллов дол­ жен быть подвергнут серьезной ревизии.

Темпы в разработке и изучении кристаллических лазеров с гетеролазерной накачкой в последние годы столь велики, что публикации не успевают отражать реальный прогресс в этой области исследований. Поэтому здесь отметим только пионерские работы на эту тему (табл. 9.2) и коротко остановимся на отдельных результатах, которые помогут дать представление о путях решения ее текущих задач.

Выше в разделе 9.2 отмечалось, что наиболее мощными являются в насто­ ящее время полупроводниковые лазеры, генерирующие в диапазоне 0,8 мкм. С этим излучением хорошо спектрально согласуются достаточно интенсивные абсорбционные переходы (канал 4/*/, —* ионов N,d3+. Этим во многом и объясняется то, что в большинстве работ по гетеролазерной накачке исполь­ зуются кристаллы с этими активаторными иопами. Пока наилучшие результа­ ты, с точки зрения эффективности, получены с одноцентровыми упорядочев-

Таблица 9.2. Генерация СИ диэлектрических кристаллов с Ьп3+-активаторами при 300 К с гетеролазериой накачкой *

по кросскаскадной схеме 3Е*-►3Н5 (Tm8+) /W>eJ7-* sIe (Но3+).

нымк кристаллами YA103, Y3A150 12, YV04 и LiYF4, которые генерировали на волнах межштарковских переходов основного и дополнительного каналов СИ ноной Nd3* В качестве примера на рис. 9.8 показаны зависимости выходной энергии импульсных лазеров на основе двух первых кристаллов (поперечная схема накачки, длина активных элементов 9 и диаметр 3 мм, длительность им­ пульсов накачки около 300 мкс), излучающих в диапазоне канала Чу. —» -> Ч у, 128].

Двухмикронное СИ ионов Но3+ может возбуждаться излучением AlGaAsгетеролазеров только в том случае, если используются кристаллы, коактпвированные ионами-сенсибилизаторами Er3* или Т т3+ (пх каналы накачки Ч»;. —> —> Ч»/, и 3Нб —> Ч 4 соответственно). В частности, в [57, 58] для получения СИ основного канала 5/ 7 —> б/ 8 ионов Но3+ в Y3A150 12 : Tm3+ была применена схема лазера, в главных своих чертах воспроизводящая идею двухмикронного лазера на основе граната Y3A150 12: Сг3+, Т т 3* — Но3+, изложенную и реализованную в [59] (см. раздел 8.2.2). В результате использования высокой концентрации

возбуждения на штарковские уровни начального лазерного мультлплета Ч7 ионов Но3+ с квантовой эффективностью, равной 2 (см. раздел 8.2.1) практически без тепловыделения в генерируемом кристалле. Этим н определяется высокая энергетическая эффективность преобразования излучения AlGaAs-лазера в двухмикроииое СИ ионов Но3+, которая в такой схеме может составлять не менее 75%.

Гетеролазериое возбуждение СИ на самонасыщающемся трехмикронном канале 4/iyt — Чи/, ионов Ег34- в тетрагональном фторпде LiYE4 при 300 К* как показано в [60, 61], легко можно осуществить в абсорбционную полосу этого активатора, соответствующую межмультнплетному переходу Чи-, —>Ч»/.. В этом случае начальное лазерное состояние Чиу, заселяется посредством мпо-

Ч,у, Как правило, это обстоятельство служит причиной снижения энергети­ ческих параметров такого лазера, ведет к временнбн (в пределах импульса накачки) зависимости его спектра СИ («красный сдвиг» [62—65]) н накладывает ограничения на частоту следования импульсов генерации. В отдельных случаях (см. раздел 7.2), однако, отмеченные негативные признаки, присущие лазер-

ным схемам с самонасыщающпмися переходами, оказываются в значительной -степени ослабленными (в пределе устранены) процессами ап-коиверсии и аб­ сорбционной дезактивацией возбуждений с уровней конечного генерационного мультиплета. В обсуждаемой схеме процессы суммирования не только эффектив­ но дезактивируют конечный рабочий мультиплет 4/*у,, но и осуществляют под­ питку уровней начального лазерного состояния 4/п/., так как в результате

несцентных времен жизни начального 4/д*/г и конечного 41«/. состояний этого лазерного канала ионов Ег3+ в кристаллах Y 3A150 12 и LU3A150 12 возможно уста­ новление стационарной инверсии' населенностей [66, 67]. Понятно, что уровень мощности накачки, поддерживающий стационарную инверсию между мультиллетами канала 47н/, —> 4/»/г, находится в обратной зависимости от времени жизни состояния 4/.у,. Для кристалла LiYF4 — Ег3* это время составляет около 4 мс, что почти в сорок раз больше времени ж и з н и мультиплета 4/и /г

ионов Er3f в двух указанных выше алюминиевых гранатах. Этим обстоятель­ ством и был обеспечен успех в [60] при получении непрерывной трехмикроипой генерации фторида LiYE4 — Ег3+ с гетеролазерыым возбуждением. Энерге­ тическая эффективность преобразования генерации AlGaAs-лазера и трехмнккронное СИ такого эрбиевого лазера может достигать 60%.

У ионов Т т 3+ в кристаллах, как следует из табл. 9.2, с полупроводниковой лазерной накачкой получена генерация СИ на двух каналах. В частности, ус­ пеху эксперимента [66] по возбуждению двухмикронной генерации основного канала 3Н4 —>3Н 6 кристалла Y3A150 13 — Tm3+ способствовали: эффективное поглощение на переходе 3HG—* 3F4, которое было обусловлено высокой концен­ трацией активатора (СТт 12 ат.%); кроссрелаксационная конверсия воз­ буждений с состояния 3Р4 к 3НА с квантовой эффективностью, близкой к 2 (рис. 8.3, а); благоприятное соотношение больцмановских факторов заполне­ ния штарковских уровней рабочих мультиплетов канала 3Н4 —> 3Нв, приводя­ щее к тому, что только 4% от общего числа ионов Т т 3+ требуется «поднять» на начальный лазерный уровень для возникновения усиления; большое люминесцентное время жизни состояния 3Н4 (тЛюм ~ 15 мс), облегчающее энерго­ накопление на нем. Значение полученного в эксперименте [66] дифференциаль­ ного КПД генерации (56%) близко к предельной эффективности 78%, опреде­ ляемой спецификой функциональной схемы.

Лазерные кристаллические конверторы и высокоэффективные кристалли­ ческие лазеры с гетеролазерной накачкой — это не просто инженерная компо­ новка, а это принципиально новые физико-технические решения, в которых интегрированы достоинства двух различных типов лазеров и в значительной степени исключено влияние их недостатков. Функциональные особенности этих решений базируются прежде всего на возможности использования мощной селективной лазерной накачки активаторных ионов в кристаллах с ярко вы­ раженными накопительными энергетическими свойствами при сохранении вы­ сокого качества оптики их кристаллических матриц. Так, созданные лазерные преобразователи на основе кристаллов с Ьп^-ионами по энергетике не уступают применяемым для их накачки других типов мощных лазеров, а по ряду функцио­ нальных характеристик (угловая расходимость, удельный энергосьем) прево­ сходят их.

Что касается исследований кристаллических лазеров с полупроводниковой накачкой, то они в ближайшие годы приведут к созданию твердотельных ла­ зеров нового поколения — малогабаритных, эффективных, генерирующих с высоким качеством излучения в различных диапазонах длии волн и обладаю­ щих практически неограниченным ресурсом работы. Здесь еще раз отметим

•основные очевидные достоинства этого прогрессивного способа накачкп кристал­ лических лазеров, в частности:

— Он дает возможность эффективно управлять модовым составом н коге­ рентностью генерируемого СИ кристаллического лазера путем возбуждения определенного объема его активной среды (например, при накачке объема ак­ тивированного кристалла, соразмерного с объемом моды резонатора кристал­ лического лазера, нетрудно возбудить его одномодовую генерацию СИ).

— Эффективность кристаллических лазеров с ламповой накачкой в настоя­ щее время составляет несколько процентов. В случае гетеролазерной накачки этот уровень ужо сейчас достигается при 20%-ной эффективности лазерных дио­ дов и 15%-ной эффективности использования их мощности при возбуждении активированных кристаллов. Имеются основания надеяться, что в недалеком будущем КП Д мощных лазерных диодов и сборок на их основе достигнет 50%. Б итоге КПД кристаллических лазеров с полупроводниковой накачкой станет исчисляться десятками процентов.

— Практическая безыперцлопность действия лазерных диодов позволяет ■осуществлять быстродействующую обратную связь выхода кристаллического лазера с системой полупроводниковой накачки, а следовательно, значительно поппжать шу.мы его непрерывного излучения.

— Стоксов сдвиг, т. е. энергетические потери фотонов накачки при их кон­ версии в фотоны генерации, постоянен по накачиваемому объему активированно­ го кристалла. Более того, он фиксирован по уровню 20—25% в зависимости от степени сближения длины волны гетеролазерной накачки п СИ кристаллическо­ го лазера. Это означает, что тепловыделение в активном элементе последнего менее 25% от выходной мощности лазерных диодов схемы возбуждения. Исполь­ зования каскадных и кроссрелаксациониых функциональных схем еще больше снизит тепловыделение. В результате все это позволяет поднять частоту повто­ рения импульсов генерации кристаллических лазеров плн применить более пассивные методы охлаждения пх активных элементов,

— Возможность удаления (например, с использованием световодов) лазерных диодов накачки от генерирующего активированного кристалла позволяет созда­ вать схемы кристаллических лазеров с новыми инженерными решениями обе­ спечения их теплового режима работы.

Имеются основания надеяться, что прогресс в области разработки и изуче­ ния лазерных кристаллических конверторов и кристаллнческнх лазеров с полу­ проводниковой лазерпой накачкой повлечет за собой не только укрепление и расширение позиций лазеров на основе активированных диэлектрических кри­ сталлов, но и будет стимулировать создание новейших лазерных технологий.

Вобласти фундаментальных исследований экспериментаторы получат надежные

иэффективные приборы, использование которых будет способствовать более широкому раскрытию лазерных свойств активированных кристаллов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.

2.Kaminskli A . A, Laser crystals, their physics and properties. Berlin etc.: Springer, 1981.