Wysokoenergetyczny, wbudowany w pasmo laser Er: YAG przy 1617 nm

  Streszczenie: Przedstawiono działanie lasera Er: YAG o wysokiej mocy w temperaturze pokojowej przy napięciu w paśmie 1617 nm pompowanym przez pompowany płaszczowo laser światłowodowy Er, Yb przy 1532 nm. Laser Er: YAG dawał moc wyjściową 31 W w strumieniu z M2»2.2 dla 72 W mocy pompy padającej. Progowa moc pompy wynosiła 4,1 W, a sprawność nachylenia w odniesieniu do mocy pompy padającej wynosiła ~ 47%. Omówiono wpływ poziomu domieszkowania erbem i konstrukcji rezonatora na wydajność lasera oraz rozważono perspektywy dalszego wzrostu mocy wyjściowej i poprawy wydajności lasingowej.

  2008 Optical Society of America

  Kody OCIS: (140.0140) Lasery i optyka laserowa; (140.3070) Lasery na podczerwień i dalekiej podczerwieni; (140.3500) Lasery, erb; (140.3510) Lasery, włókno; (140.3580) Lasery półprzewodnikowe.

 1. Wstęp

  Źródła laserowe działające w reżimie długości fali iskier około 1,5-1,6mMam wiele aplikacji, w tym teledetekcję, zasięg i swobodną komunikację. Bezpośrednie (pośrednie) pompowanie Er: YAG za pomocą lasera światłowodowego Er, Yb [1-6] lub lasera diodowego [7-9] szybko staje się jedną z najbardziej obiecujących dróg do tego reżimu długości fali, z uwagi na perspektywę o wysokiej średniej mocy wyjściowej zarówno w trybach pracy ciągłej fali (cw), jak i przełączania Q. Zastosowanie laserowego lasera pompowego jest szczególnie atrakcyjne, ponieważ umożliwia zastosowanie kryształów Er: YAG o niskim stężeniu jonów erbowych, aby zminimalizować szkodliwy wpływ konwersji energii (ETU) na wydajność lasera [10] i unika potrzeba chłodzenia kriogenicznego w celu uzyskania wysokiej wydajności lasingowej [8]. Jedną z głównych atrakcji podejścia opartego na hybrydowym włóknie laserowym jest bardzo małe nagrzewanie kwantowe w masowym ośrodku laserowym, co znacznie upraszcza skalowanie mocy w geometrii lasera, które oferuje także potencjał wysokiej energii impulsowej w trybie przełączania Q. Podejście to zostało z powodzeniem zastosowane w laserach z domieszką Ergonded i Ho z domieszkami działającymi w zakresie długości fal 1,6 i 2,1 μm. W ostatnich pracach pokazaliśmy lasery hybrydowe oparte na Er: YAG z > 60 W mocy wyjściowej cw [1] i> 15 mJ energii impulsu w trybie przełączania Q na 4ja13/2 ® 4ja15/2

 przejście przy 1645 nm [2,10]. Jednakże, dla niektórych zastosowań teledetekcji i zakresów ta robocza długość fali jest trochę niewygodna, ponieważ istnieją pewne atmosferyczne linie absorpcji z powodu metanu, który znajduje się w bardzo bliskim sąsiedztwie, wymagając starannej selekcji i kontroli długości fali lasera. Er: YAG ma również przejście pomiędzy tymi samymi górnymi i dolnymi kolektorami przy 1617 nm (patrz fig. 1), który leży w obszarze widma, w którym nie ma linii absorpcji atmosferycznej. To przejście ma wyższy przekrój emisji, ale ma znacznie bardziej wyraźny trójpoziomowy charakter, wymagający ~ 14% jonów Er3 +, aby podnieśli górny kolektor, aby osiągnąć przezroczystość w porównaniu z ~ 9% dla przejścia 1645 nm. W rezultacie próg mocy pompy dla pracy 1617 nm jest na ogół znacznie wyższy niż dla pracy 1645 nm, a zatem standardowe konfiguracje rezonatora normalnie lasera przy 1645 nm. Działanie Er: YAG przy 1617 nm osiągnięto przez zastosowanie intralewności dodatkowych składników o długości fali (np. Etalony) [5,6] w celu stłumienia linii przy 1645 nm lub pracy w temperaturach kriogenicznych, gdzie spadek reabsorpcji przy 1617 nm dramatycznie się zmniejsza [8]. W obu przypadkach najwyższe średnie moce zgłoszone do tej pory są poniżej < 6 W przy użyciu dyskryminacji długości fali [6] i <; 0,32 W dla operacji quasi-cw przy 78 K [8]. Tutaj przedstawiamy wyniki eksperymentalnych badań nad działaniem 1617 nm hybrydowych laserów Er: YAG przy wysokich mocach pomp i omówimy, jak różne czynniki (w tym poziom dopingu Er3 + i konstrukcja wnęki) wpływają na wydajność lasera. Na podstawie wyników tego badania i przy użyciu prostej strategii skalowania mocy zademonstrowaliśmy laser Er: YAG, wbudowany w pompę przez pompowany włóknem laserowym Er, Yb o długości fali 1532 nm, przy 31 W mocy wyjściowej cw przy 1617 nm dla 72 W mocy padającej pompy w temperaturze pokojowej. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jest to najwyższa moc wyjściowa cw zgłoszona do tej pory dla lasera Er: YAG działającego na linii 1617 nm.

Ryc. 1. Wykres energii Er: YAG przedstawiający przejścia laserowe przy 1617 nm i 1645 nm.

  2. Ekspansja

  Hybrydowa konfiguracja lasera Er: YAG stosowana w naszych eksperymentach jest pokazana na Fig. 2. Laser z pompą włóknową Er, Yb został skonstruowany we własnym zakładzie [11] i zawierał ~ 2,5 m długości podwójnie splecionego włókna z 30mm średnica (0,22 NA) Er, domieszkowany fosforem z domieszką Yb otoczonym przez 400mŚrednica wewnętrzna z czystej krzemionki w kształcie litery "D". Włókno powleczono warstwą zewnętrzną z fluorowanego polimeru o niskim współczynniku załamania (n = 1,375), uzyskując obliczoną NA wynoszącą 0,49 dla prowadnicy pompy z płaszczem wewnętrznym. Operację przy piku absorpcji w Er: YAG przy 1532 nm uzyskano przy selektywnym sprzężeniu zwrotnym długości fali zapewnionym przez zewnętrzną komorę zawierającą siatkę dyfrakcyjną (600 linii / mm) w konfiguracji Littrow. Stosunkowo długa ogniskowa soczewka kolimacyjna (120 mm) została użyta w zewnętrznej wnęce, aby zapewnić, że spektralna selektywność siatki była wystarczająca do osiągnięcia węższej szerokości pasma lasera (~ 0,4 nm) niż szerokość pasma absorpcji Er: YAG (~ 4 nm ). Sprzężenie zwrotne dla lasera na przeciwległym końcu włókna zapewniono przez ~ 3,6% odbicie Fresnela od prostopadle rozciętej powierzchni. Światło pompy było dostarczane przez dwa moduły pomp diodowych z dziewięcioparową diodą polaryzacyjną przy 976 nm. Belka wyjściowa z połączonych modułów pompy została podzielona przestrzennie na dwie wiązki o mniej więcej równej sile przy użyciu lustra o krawędzi ostrza, umożliwiającego pompowanie włókna Er, Yb z obu końców. W ten sposób obciążenie cieplne było bardziej równomiernie rozmieszczone wzdłuż włókna, zmniejszając prawdopodobieństwo termicznie wywołanego uszkodzenia zewnętrznej powłoki polimeru. Przy użyciu tego układu włókno Er, Yb uzyskało maksymalną moc wyjściową 120 W przy 1532 nm w wiązce z M2 <1. 5 dla ~ 440 W uruchomionej mocy pompy. Przy tym poziomie mocy laser światłowodowy był podatny na uszkodzenia, więc w celu zapewnienia niezawodnego działania, laser działał przy poziomach mocy poniżej 75 W.

Do lasera Er: YAG zastosowano prosty rezonator składający się z czterech luster. Obejmował on sprzęgacz wejściowy o płaskiej pompce z wysokim współczynnikiem odbicia (> 99,8%) przy długości fali lasera (1600-1650 nm) i wysokim przepływie (> 95%) przy długości fali pompy (1532 nm), dwóch wklęsłych zwierciadłach (R1 i R2) o promieniu zaokrąglenia 100 mm z wysokim współczynnikiem odbicia (> 99,8%) zarówno na długości fal lasera, jak i na pompie oraz sprzęgacza płaskiego. W naszym badaniu dostępny był zakres sprzęgów wyjściowych z transmisją 10%, 20%, 30% i 50% przy długości fali lasera. Aby zbadać wpływ stężenia Er3 + na wydajność, zastosowano trzy pręty Er: YAG o poziomach domieszkowania 0,25%, 0,5% i 1,0%% io odpowiednich długościach 58 mm, 29 mm i 15 mm. Długość kryształów wybrano tak, aby wszystkie trzy kryształy miały w przybliżeniu taką samą wydajność pochłaniania pompy przy niskich mocach pompy (tj. Przy braku bielenia w stanie podstawowym). To ostatnie zmierzono na ~ 98%, co wskazuje, że współczynnik absorpcji w Er: YAG dla pompowania 1532 nm wynosi ~ 260 m-1 / at.%. Obie strony czołowe prętów Er: YAG były pokryte antyrefleksyjnie dla 1,5 do 1,7mm zakres długości fal obejmujący zarówno długości fal pompy, jak i lasera.

Rys. 2. Schemat ideowy rezonatora Er: YAG. IC: wejście sprzęgu lustro

(AR przy 1532 nm i HR przy 1600-1700 nm). OC: lustro sprzęgu wyjściowego

 (Transmisja (T) 10%, 20%, 30% lub 50% przy 1600-1700 nm).

  Wędki Er: YAG byłyzamontowane w chłodzonym wodą aluminiowym radiatorze utrzymywanym w temperaturze zbliżonej do pokojowej w temperaturze 17 oC i umieszczone w środkowym punkcie ramienia rezonatora wyznaczonego przez dwa zakrzywione zwierciadła (R1 i R2). Fizyczna długość tego ramienia rezonatora wynosiła ~ 125 mm, a całkowita długość rezonatora wynosiła ~ 365 mm, co skutkowało obliczeniem promienia taliowego TEM00 wynoszącego ~ 80mm. Kąt padania na zakrzywione zwierciadła był bardzo mały (<10 °), aby zminimalizować astygmatyzm. Wiązka pompy z lasera światłowodowego Er, Yb została sprzężona z rezonatorem za pomocą sprzężenia wejściowego samolotu, a następnie ustawiona w promieniu taliowym około 75mmw pręcie Er: YAG za pomocą zakrzywionego lustra R1. Niepowlekany etalon ze stopionej krzemionki o 100mZastosowano grubość m, aby zapewnić rozróżnianie długości fali (gdy jest to konieczne), aby zapewnić lasing na linii 1617 nm.

3. Wyniki i dyskusja

  Przy progu oscylacji lasera, wzmocnienie w obiegu musi być równe ubytkowi frakcji lasera, stąd

ssol N l = -[log mi (1 - T)+ log mi (1 - L)](1)

  gdzie σg jest przekrojem wzmocnienia, N jest stężeniem aktywnego domieszkującego jonu, l jest długością ośrodka wzmocnienia, T jest transmisją sprzężenia wyjściowego, a L jest stratą wnęki w obiegu (z wyłączeniem utraty sprzężenia wyjściowego) . Przekrój wzmocnienia zależy od efektywnych przekrojów emisyjnych i absorpcyjnych (σe i σa) dla przejścia i gęstości zaludnienia, N2 i N1, w górnym kolektorze (4I13 / 2) i dolnym kolektorze (4I15 / 2) odpowiednio przez relację [4]:

ssol = bsmi - (1- b)sza(2)

  gdzie parametr inwersji β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N przy braku konwersji energii w górę. Aby wymusić lasing na linii 1617 nm, należy skonfigurować rezonator tak, aby próg dla działania 1617 nm był niższy niż dla dowolnego innego przejścia laserowego od 4I13 / 2 do 4I15 / 2. Zwykle linia 1645 nm ma najniższą wartość graniczną ze względu na jej słabszy trójpoziomowy charakter (to znaczy niższy efektywny przekrój absorpcji), nawet jeśli przejście 1617 nm ma o wiele wyższy efektywny przekrój emisji. Jednak pozostawia to otwartą dwie opcje wyboru długości fali. Pierwszym i najbardziej oczywistym podejściem jest zastosowanie dyskryminacji strat (na przykład wgłębienie etalon) w celu wybrania linii 1617 nm. Drugim, i być może najprostszym podejściem jest wykorzystanie faktu, że przekrój wzmocnienia σg rośnie szybciej wraz z parametrem inwersji, β dla linii 1617 nm, niż dla linii 1645 nm (patrz rys. 3). Wynik netto jest taki, że przy wysokich gęstościach inwersji przekrój wzmocnienia przy 1617 nm jest wyższy

Rys. 3. Obliczone przekroje wzmocnienia przy 1617 nm i 1645 nm w funkcji parametru odwrócenia populacji.

niż przy 1645 nm. W temperaturze pokojowej (300 K) wymaga to, aby co najmniej 35% jonów Er3 + zostało wzbudzonych w kolektorze 4I13 / 2. W praktyce można to osiągnąć, po prostu zwiększając próg, stosując znacznie większy łącznik wyjściowy transmisji, bez potrzeby stosowania dodatkowych składowych intracewności o długości fali.

  Wstępne eksperymenty przeprowadzono przy użyciu pręcika Er: YAG z 0,5% domieszkowania i za pomocą intraluchu etalon, aby wybrać działanie 1617 nm. Wyniki dla mocy wyjściowej lasera w zależności od mocy pompy padającej dla trzech różnych transmisji sprzęgu wyjściowego (10, 20 i 30%) pokazano na Fig. 4 (a). Dla porównania pokazano również moc wyjściową dla działania 1645 nm w porównaniu do mocy pompy (to znaczy bez etalonu obecnego we wnęce). Można zauważyć, że moc lasera wzrasta z transmisją sprzężenia wyjściowego przy 1617 nm. Jednak moc wyjściowa przy 1617 nm jest nieco niższa niż przy 1645 nm. Co więcej, występuje bardzo wyraźne przewrócenie mocy wyjściowej przy 1617 nm, gdy moc pompy jest zwiększona powyżej ~ 60 W w przeciwieństwie do sytuacji przy 1645 nm. Rysunek 4 (b) pokazuje wydajność 1617 nm z transmisją sprzężenia wyjściowego 50%. W tym przypadku etalon nie był wymagany. Próg mocy pompy wynosił ~ 5,2 W, a wydajność spadku w stosunku do mocy pompy padającej wynosiła ~ 42% do mocy pompy wynoszącej ~ 45 W. Przy wyższej mocy pompy moc wyjściowa bardzo szybko przewija się, osiągając maksymalną moc wyjściową tylko 16 W. Jest to znacznie mniej niż w przypadku tego samego rezonatora z transmisją sprzężenia zwrotnego 20% i 30%. Przypisujemy przechodzenie mocy przy 1617 nm do wyraźniejszego trójpoziomowego charakteru (to znaczy zwiększonej straty absorpcji wtórnej) z powodu wzrostu temperatury wynikającego ze zwiększonego obciążenia cieplnego przy wysokich mocach pompy. Sytuację dodatkowo pogarsza konwersja z przeniesieniem energii, która działa w celu dalszego zwiększenia obciążenia cieplnego podczas pracy przy wysokich gęstościach wzbudzenia. Wynika to z bardziej dramatycznego przewracania się mocy lasera z transmisją sprzęgu o mocy 50%.

Rys. 4. Moc wyjściowa a moc pompy padającej dla lasera Er: YAG z 0,5% na poziomie dopingu

(a) stosowanie sprzęgaczy wyjściowych z przekładniami 10%, 20% i 30%. (Stałe symbole reprezentują działanie 1617 nm z etalonem, a otwarte symbole reprezentują działanie 1645 nm).

(b) Moc wyjściowa przy 1617 nm z transmisją sprzęgu wyjściowego 20%, 30% (z etalonem) i 50% (bez etalonu).

  Powtórzyliśmy eksperyment z prętami Er: YAG z 0,25% na% i 1,0% na poziomie% dopingu przy użyciu 50% sprzęgacza wyjściowego. Rysunek 5 (a) pokazuje moc wyjściową jako funkcję mocy pompy dla trzech poziomów dopingu stosowanych w naszym badaniu. Gęstość obciążenia termicznego, a tym samym wzrost temperatury w prętach domieszkowanych 0,25 at.% Jest co najmniej o dwa razy mniejszy niż dla pręta domieszkowanego 0,5% wskutek mniejszego stężenia domieszkowania i zmniejszonych strat konwersji. W konsekwencji zaobserwowaliśmy brak przechyłu mocy wyjściowej do maksymalnej dostępnej mocy pompy 75 W. W przeciwieństwie do pręta domieszkowanego 1,0%% ma znacznie wyższą gęstość obciążenia cieplnego, a tym samym wzrost temperatury i, zgodnie z oczekiwaniami, laser działał znacznie gorzej, osiągając maksymalną moc wyjściową jedynie 3 W. Te wyniki potwierdzają nasze twierdzenie, że przewrócenie mocy wynika z podwyższonego trójpoziomowego zachowania z powodu obciążenia cieplnego i jest potęgowane przez konwersję konwersji energii. W związku z tym stosowanie niskich poziomów dopingu Er3 + w połączeniu ze skutecznym zarządzaniem termicznym jest kluczowe dla skalowania mocy na przejściu 1617 nm w trybach pracy z falami stałymi i przełączanymi Q.

Rys. 5. Moc wyjściowa lasera Er: YAG przy 1617 nm w stosunku do mocy pompy dla

 (a) różne poziomy domieszkowania Er3 + za pomocą sprzęgacza wyjściowego z transmisją 50%

i (b) zoptymalizowany projekt wnęki z użyciem 0,25 at. % kryształów.

  Rysunek 5 (b) pokazuje moc wyjściową przy 1617 nm w stosunku do mocy pompy dla zoptymalizowanej konstrukcji rezonatora przy użyciu pręta Er: YAG 0,25 at.%. W tym przypadku dwa lustra o promieniu krzywizny 100 mm zostały zastąpione lusterkami o promieniu zaokrąglenia 150 mm, a długość rezonatora została dostosowana w celu uzyskania większego obliczonego promienia taliowego promienia TEM00 wynoszącego około 100mm, a zatem lepsze przestrzenne nakładanie się z pompowanym regionem. Progowa moc pompy wynosiła ~ 4,1 W, a sprawność spadku w stosunku do padającej mocy pompy wynosiła ~ 47%. Nie było żadnego przewrócenia mocy wyjściowej do maksymalnej dostępnej mocy pompy, a laser dawał maksymalną moc wyjściową 31 W przy 1617 nm w wiązce z M2»2.2 dla 72 W mocy pompy padającej.

4. Streszczenie

  Działanie hybrydowych laserów Er: YAG pompowanych przy 1617 nm przy wysokich poziomach mocy w trybach pracy ciągłej lub w trybie przełączania Q jest znacznie trudniejsze niż w przypadku pracy na bardziej znanej linii 1645 nm. Nasze wyniki sugerują, że głównym powodem jest obciążenie termiczne spowodowane nagłym uszkodzeniem kwantowym oraz przemiana energii w górę, oraz związany z tym wzrost temperatury i niższy poziom absorpcji wtórnej absorpcji. Wnioskujemy, że zastosowanie niskiego poziomu dopingu Er3 + i skutecznego zarządzania ciepłem ma kluczowe znaczenie dla skalowania mocy podczas tego przejścia. Wykorzystując tę ​​prostą strategię skalowania mocy zademonstrowaliśmy na laserze Er: YAG, pompowanym przez laser światłowodowy Er, Yb o dużej mocy przy 1532 nm, o mocy wyjściowej fali ciągłej 31 W przy 1617 nm dla 72 W mocy pompy padającej i przy odpowiedniej wydajności skoku 47%. Dalsze skalowanie mocy wyjściowej i rozszerzanie do trybu pracy z przełączaniem Q może odnieść korzyści z zastosowania jeszcze niższego poziomu dopingu erbowego.

Podziękowanie

  Prace te zostały sfinansowane przez Electro-Magnetic Remote Sensing (EMRS) Centrum Technologii Obronnych, ustanowione przez brytyjskie Ministerstwo Obrony.