Особливості лінійних чіп-лазерів

Монолітні лінійні чіп-лазери представляють собою короткі (довжиною від 0.1 до 5 мм у напрямку генерації) стрижні із плоскими або сферичними торцями. Збудження таких лазерів здійснюється, як правило, за поздовжньою схемою. (рис. 3.1) На один з торців кристала, через який здійснюється накачування, наноситься селективне дзеркало, глухе на частоті генерації і, що має, високе пропускання на довжині хвилі накачування, а на другий торець - вихідне дзеркало. Випромінювання накачування фокусується за допомогою мікрооб'єктива усередину активного елемента.

Вихідна потужність лазерів такого типу може досягати декількох ватів у безперервному режимі. При модуляції добротності пікова потужність випромінювання чіп-лазера досягає 600 кВт при енергії імпульсу ~5 мДж.

У більшості випадків важливо одержати генерацію на основній поперечній моді ТЕМ₀₀. У монолітних лазерах з поздовжнім накачуванням селекція поперечних мод може бути здійснена вибором конфігурації резонатора й спеціальним формуванням каустики пучка накачування. Відзначимо, що оптимальний перетин накачуваної області повиннен бути порядка перетину каустики основної моди резонатора. При більш сильному фокусуванні накачування можливо переважне порушення лагер-гаусових мод більш високого порядку.

Селекція поздовжніх мод для одержання одночастотної генерації в лінійних чіп-лазерах є досить складним завданням. Це пов'язано з великою (у порівнянні з міжмодовим інтервалом) шириною однорідно-розширеної лінії посилення типових твердотільних лазерів. Так, наприклад, для YAG:Nd ширина лінії посилення становить ~180 ГГц, тоді як міжмодовий інтервал, як правило, не перевищує 10-15 ГГц. Тому для реалізації одночастотної генерації в лінійних чіп-лазерах необхідне використання спеціальних селекторів.

Однак, оскільки внесення селективних елементів у резонатор монолітних чіп-лазерів неможливо, основним способом одержання одночастотної генерації є зменшення поздовжніх розмірів резонатора. Для досягнення стабільної одномодової генерації в лінійних чіп-лазерах на YAG:Nd необхідно, щоб довжина резонатора не перевищувала 200-300 мкм. При більших довжинах резонатора одночастотний режим реалізується лише при малих перевищеннях потужності накачування над граничною.

У лінійних чіп-лазерах з малою довжиною резонатора для одержання більшої потужності доцільно використовувати або середовища з високою концентрацією активних центрів, або середовища з більшим перетином поглинання випромінювання накачування. У таких середовищах виникає цікава можливість одержання одночастотної генерації, що пов'язана з конкурентною взаємодією поздовжніх мод.

1 - глухе дзеркало резонатора (часто наноситься безпосередньо на торець активного елемента); 2 - вихідне дзеркало резонатора; 3 -активний елемент; 4 – мікрооб'єктив (циліндрична лінза); 5 - лазерний діод (діодна матриця); 6 - термостабілізатор; 7 - додаткове селективне дзеркало; 8 - змішувальний поляризаційний кубик; HR і НТ - високі коефіцієнти відбиття й пропущення діелектричних покриттів деяких елементів лазерів; у дужках зазначено довжини хвиль у мікрометрах.

Рисунок 3.1 - Основні схеми торцевого (а, б, в, г) і поздовжнього (д, е, ж) накачування - «класична» схема торцевого накачування (а), двостороння схема накачування (б), торцева схема, що використовує два напівпровідникових лазери (в), і схема із внутрірезонаторним перетворенням довжини хвилі накачування (г), однобічна схема накачування (д), двостороння схема накачування (е) і схема порушення слеб-елемента (ж):

Класичним прикладом монолітного лінійного чіп-лазера є лазер із дзеркалами, нанесеними безпосередньо на торці кристала (рис 3.2). У цьому лазері активний елемент, виконаний з високоякісного монокристала YVO₄:Nd, має квадратний перетин зі стороною 3 мм. Один торець кристала плоский, а другий - сферичний з радіусом кривизни 10 см. На плоский торець нанесене селективне покриття, що має високий коефіцієнт відбиття на довжині хвилі генерації (λ=1.06 мкм) і низький на довжині хвилі накачування (λ_н=0.808 мкм). Довжина резонатора (активного елемента) становить 1.5 мм. Лазер працює на основній поперечній моді ТЕМ_оо при потужності вихідного безперервного випромінювання кілька десятків мілліватт. Диференціальний ККД таких чіп-лазерів досягає 57-58%.

Рисунок.3.2 - Твердотільний лінійний чіп-лазер з йодною коміркою для стабілізації частоти випромінювання

Твердотільний чіп-лазер c активним середовищем (АМ) Nd:YVO₄, довжина хвилі випромінювання 1064 нм, напівпровідниковий лазером накачування (LD) з довжиною хвилі випромінювання 808 нм (0,5 W потужності випромінювання), прозорою пластиною під кутом Брюстера (В), нелінійним кристалом КТР, у якому відбувається подвоєння оптичної частоти, вихідне дзеркало (М) яке встановлено на п'єзоелемент (PZT), що забезпечує перебудову довжини резонатора, I₂ – йодна комірка наповнена парами молекулярного йоду з надтонкими лініями поглинання в діапазоні 532 нм, PD - фотодетектор.

Надалі лінійний лазер можне бути замінений на кільцевий і буде створений новий тип стандарту оптичної частоти (довжини хвилі) для мікроінтерферометрів переміщення, для атомних силових мікроскопів, призначених для нанотехнологій.

У цей час у лінійних чіп-лазерах використовуються активні кристали, що працюють не тільки по чотирирівневій, але й по трирівневій схемі. В останньому випадку виникає необхідність створення таких умов, при яких інтенсивність накачування на вихідному торці кристала становить значну частку від інтенсивності накачування на вхідному торці. Це пов'язано з необхідністю мати інверсію населеності по всій довжині активного елемента, у противному випадку відбувається різкий ріст втрат на частоті випромінювання лазера.