Активні середовища для чіп твердотільних лазерів з напівпровідниковим накачуванням

Розвиток твердотільних лазерів протягом останніх двадцяти років було пов'язане зі створенням таких активних середовищ, які дозволяють забезпечити:

- підвищення ефективності генерації;

- поліпшення спектральних характеристик лазерного випромінювання.

Вирішення цих завдань було досягнуто шляхом створення активних середовищ, що володіють ефективним поглинанням у спектральному діапазоні випромінювання напівпровідникових лазерів. До теперішнього часу досліджені сотні лазерних кристалічних матеріалів, однак при конструюванні ЧТЛНН застосовуються тільки одиниці. Використання того або іншого активного лазерного кристала в конструкції ЧТЛНН визначається не тільки технологічною доступністю вихідного матеріалу (можливістю вирощування високоякісних кристалів з необхідною концентрацією активатора), але й забезпеченням таких фізичних властивостей, як лазерна й механічна міцність, теплопровідність, поперечні перерізи переходів при генерації й поглинанні, час життя збудженого стану й т.д.

У цей час для створення ТЛНН використовуються кристали, що виготовляють промисловим способом, а саме:

1. Nd:YAG(алюмоітрієвий гранат);

2. Nd:YSGG(ітрій-скандій-галієвий гранат);

3. Nd:YAB(алюмоітрієвий борат);

4. Nd:YVO₄ (ванадат ітрія);

5. Nd:GdVO₄ (ванадат гадолінія);

6. Nd:LSB(скандоборат лантану);

7. Yb:YAG(алюмоітрієвий гранат);

8. Nd:СSB(скандоборат церію).

У табл. 3.1 представлені властивості деяких кристалів.

При розробці й проектуванні лазерів із установленими параметрами необхідно підбирати активне середовище з обліком наступних фізичних характеристик:

-перетинстимульованого випромінювання для основного лазерного переходу ⁴F_3/2 - ⁴I_11/2 в Nd:LSB і Nd:YAG порівнянні, але вони менше ніж в Nd:YVO₄;

- теплопровідність і гранична щільність потужності в Nd:LSB уступає кристалам Nd:YAG і Nd:YVO₄. В раховуючи, що реальні лазери з діодним накачуванням на кристалах Nd:LSB, Nd:YAG і Nd:YVO₄ працюють далеко за межею граничної щільності потужності, цей дефект можна не брати до уваги;

- лінійна поляризація стимульованого випромінювання лазерів з діодним накачуванням на кристалах Nd:LSB і Nd:YVO₄ дозволяє реалізовувати внутрірезонаторне подвоєння частоти стимульованого випромінювання;

- один з можливих способів поліпшення характеристик лазерів і спрощення їхньої конструкції складається в заміні активного елемента й нелінійного елемента на один - активно-нелінійний елемент. Кристали, що володіють подібними властивостями, відомі, наприклад Nd:YAl₃(BO₃)₄ і Nd:YAB. По своїм спектроскопічним і генераційним характеристиках цей кристал багато в чому подібний Nd:LSB, а по величині ефективної нелінійної сприйнятливості уступає KTP (фосфат титанілу калію).

Ефективність використання лазерного накачування для твердотільних лазерів, у першу чергу визначається шириною спектра випромінювання НЛ і збігом довжини хвилі випромінювання НЛ із центром лінії поглинання активного середовища, ширина якого становить величину близько 4 нм. Ефективність накачування може бути вище 80%, оскільки використання монохроматичного випромінювання лазерного діода дозволяє селективно збуджувати робочий рівень активного елемента твердотільного лазера. Лазери, що використовуються для накачування, як правило, працюють в одночастотному режимі генерації зі спектральною шириною випромінювання не більш 1 нм.

Нижче, у таблиці 3.2 наведені довжини хвиль накачування для деяких типів активних середовищ ТЛНН.

У ТЛНН використовується два способи накачування активного елемента: торцева й бічна. У першому випадку випромінювання за допомогою системи лінз, уводиться в резонатор через поверхню одного із дзеркал, тобто вводиться через торець лазерного стрижня (поздовжнє або торцеве накачування). В - другому випадку випромінювання вводиться з боку бічної поверхні активного елемента, тобто в поперечному напрямку стосовно осі резонатора (поперечне накачування).

Таблиця 3.2 Довжини хвиль накачування для деяких типів активних середовищ ТЛНН

З погляду підвищення потужності стимульованого випромінювання, поперечне накачування має перевагу перед торцевим накачуванням. Варто підкреслити, що максимальна потужність лазерів з діодним накачуванням у цей час перевищує 1 кВт. Такі рівні потужності досягаються шляхом формування матриць із одиничних напівпровідникових лазерів.

Для одержання одномодового й одночастотного спектра випромінювання ЧТЛНН використовується поздовжнє накачування, що забезпечує гарне узгодження каустик генеруємого випромінювання й пучка накачування.

Вибір конфігурації резонатора ТЛНН зв'язаний із властивостями використовуваного активного середовища й умовами її ефективного накачування. Ефективність накачування характеризується двома параметрами: по-перше, частота накачування повинна бути максимально близькою до центральної частоти лінії поглинання, а спектр випромінювання не перевищувати ширину смуги поглинання; по-друге, накачування повинно повністю поглинатися активним середовищем і забезпечувати порушення й стійку генерацію основної поперечної моди резонатора - ТЕМ₀₀.

У резонаторі формується основна поперечна мода з максимальним об'ємом і мінімальним розходженням генеруємого пучка випромінювання. У цьому випадку узгодження об'ємів генеруємої основної моди з пучком накачування можливо при формуванні в резонаторі плоско-паралельного пучка випромінювання напівпровідникового лазера, поперечні розміри якого не перевищують поперечні розміри генеруємої моди.

Використання сферичних дзеркал при формуванні стійкого резонатора ТЛНН дозволяє створювати умови, при яких каустика основної моди найбільш вдало узгоджується зі збіжним пучком випромінювання накачування.

Довжина резонатора (оптична довжина шляху проміння, що проходить у резонаторі) вибирається з умови максимального поглинання потужності накачування активним середовищем. Для Nd³⁺:YAG, практично вся потужність, накачки, що вводиться, поглинається активним середовищем на довжині резонатора лазера в 5 мм (резонатородного з перших лінійних ТЛНН, виготовлений з YAG:Nd³⁺, являв собою стрижень довжиною 5 і діаметром 2 мм зі сферичними торцями).

При використанні більш короткого оптичного ходу промення в активному середовищі, частка поглиненої потужності зменшується, що викликає зниження ККД лазера. У випадку лінійних резонаторів їхні довжини вибираються в інтервалі від 100 мкм до 1 мм. ККД таких лазерів невисоке, однак настільки малі довжини резонаторів необхідні для забезпечення основної умови одночастотного випромінювання, а саме перевищення величини міжмодового інтервалу (с- швидкість світла у вакуумі; - геометрична довжина резонатора; - показник заломлення активного середовища) над шириною смуги посилення активного середовища , тобто:

(3.1)

У цьому випадку одномодова генерація буде спостерігатися при багаторазовому перевищенні порога генерації. Так при порозі 1 мВт генерації випромінювання з довжиною хвилі 1,064 мкм в активному середовищі YAG:Nd³⁺, вихідна потужність в одномодовому режимі може становити 22 мВт (при прозорості вихідного дзеркала 0.3%). Наприклад, з урахуванням умови одночастотного випромінювання створені лазери на YAG:Nd3+ з довжиною хвилі випромінювання 1,064 мкм, мали довжину резонатора 730 мкм.

Ефективність накачування ТЛНН лазерним випромінюванням тим вище, чим більше коефіцієнт просторового сполучення в резонаторі й об'єму пучка накачування, уведеного в резонатор.

У резонаторі лінійного ТЛНН порушення поперечних мод залежить від ступеня просторового сполучення об'єму сформованого пучка випромінювання накачування й об'єму генеруємой основної моди випромінювання ТЕМ₀₀. У випадку, коли об'єм пучка накачування повністю сполучується з об'ємом основної моди ТЕМ₀₀ резонатора й не перевищує її, то генерація випромінювання буде здійснюватися тільки на основній поперечній моді ТЕМ₀₀. Якщо поперечні розміри пучка накачування будуть значно перевищувати поперечний розмір основної генеруємої моди, то будуть виконуватися умови, що забезпечують генерацію поперечних мод вищих порядків. Будь-яка просторова неузгодженість пучка накачування й основної моди резонатора приводить до умов порушення поперечних мод вищих порядків у ЧТЛНН. Варто врахувати, що, використовуючи такий параметр як об'єм моди, необхідно прив'язуватися до використовуваного рівня потужності випромінювання накачування. Відомо, що поперечний розмір пучка в будь-якій точці каустики визначається як відстань на якому потужність випромінювання відповідно центру пучка зменшується в 1/е² разів. Тому при різних рівнях потужності випромінювання накачування її об'єм буде характеризуватися різною величиною. Отже, другою умовою, що забезпечує одномодову генерацію, є рівень перевищення потужності накачування над порогом генерації.