Vysoce výkonný čerpaný Er: YAG laser v 1617 nm

  Abstrakt: Uvádí se vysoký výkon při pokojové teplotě laseru Er: YAG v pásmu 1617 nm, který je čerpán čerpacím zařízením z Er, Yb vlákna s plošnými spoji při 1532 nm. Er: YAG laser přinesl 31 W kontinuálního vlnového výstupu v paprsku s M2»2,2 pro výkon zátěže 72 W. Prahový výkon čerpadla činil 4,1 W a efektivita sklonu s ohledem na příkon čerpadla byla ~ 47%. Vliv úrovně dopingu erbia a konstrukce rezonátoru na výkon laseru je diskutován a jsou zvažovány vyhlídky na další zvýšení výstupního výkonu a zlepšení účinnosti laseingu.

  2008 Optická společnost Ameriky

  Kódy OCIS: (140.0140) Lasery a laserová optika; (140.3070) Infračervené a vzdálené infračervené lasery; (140.3500) Lasery, erbium; (140.3510) Lasery z vláken; (140.3580) Lasery, polovodičové.

1. Úvod

  Laserové zdroje pracující v režimu vlnových délek oka kolem 1,5-1,6mm mají řadu aplikací včetně dálkového průzkumu, komunikace v rozsahu a volném prostoru. Přímé (v pásmu) čerpání Er: YAG pomocí laserového vlákna Er, Yb [1-6] nebo diodového laseru [7-9] se rychle objevuje jako jedna z nejslibnějších cest pro tento režim vlnových délek vzhledem k vyhlídce vysokého průměru výstupního výkonu v provozních režimech s nepřerušovanou vlnou (cw) a Q-switched. Použití vláknového čerpacího laseru je obzvláště atraktivní, neboť umožňuje použití krystalů Er: YAG s nízkými koncentracemi erbového iontu, aby se minimalizoval škodlivý vliv energetické přenosové konverze (ETU) na výkon laseru [10] a zamezuje se potřeba kryogenního chlazení pro dosažení vysoké efektivity ladění [8]. Jedním z hlavních atrakcí laserového laseru s hybridním vláknem je velmi nízké ohřev kvantové defekty v objemovém laserovém médiu, což výrazně zjednodušuje škálování výkonu v geometrii laseru, která také nabízí potenciál pro vysokou pulzní energii v režimu Q-switch. Tento přístup byl úspěšně aplikován na lasery s dopovaným a Ho dopovaným v režimu vlnových délek ~ 1,6 a ~ 2,1 μm. V nedávné práci jsme prokázali hybridní lasery založené na Er: YAG s> 60 W výstupu cw [1] a s impulsní energií> 15 mJ v Q-zapnutém režimu na 4I13/2 ® 4I15/2

 přechod při 1645 nm [2,10]. U některých aplikací pro dálkové snímání a měření je však tato provozní vlnová délka trochu nepohodlná, protože existují některé atmosférické absorpční linky v důsledku metanu, které jsou ve velmi těsné blízkosti vyžadující pečlivý výběr a řízení vlnové délky laseru. Er: YAG má také přechod mezi stejnými horními a spodními potrubími při 1617 nm (viz obr. 1), který leží v oblasti spektra, kde neexistují žádné atmosférické absorpční linie. Tento přechod má vyšší emisní průřez, ale má mnohem výraznější třístupňový charakter vyžadující ~ 14% iontů Er3 +, které mají být vzrušeny k hornímu potrubí pro dosažení průhlednosti ve srovnání s ~ 9% pro přechod 1645 nm. Výsledkem je, že prahový výkon čerpadla pro provoz 1617 nm je obecně mnohem vyšší než při provozu 1645 nm, a proto standardní konfigurace rezonátoru normálně ladí při 1645 nm. Ovlivnění Er: YAG při 1617 nm bylo dosaženo buď použitím intracavity (např. Etalonů) [5,6] pro další potlačení vlnových délek [5,6], aby se potlačila linka při 1645 nm nebo se pracovalo při kryogenních teplotách, kde ztráta reabsorpce při 1617 nm je dramaticky snížena [8]. V obou případech jsou nejvyšší průměrné výkony, 6 W při použití diskriminace vlnové délky [6] a < 0,32 W pro kvazi-cw provoz při 78 K [8]. Zde uvádíme výsledky experimentální studie o provozu 1617 nm hybridních laserů Er: YAG při vysokém výkonu čerpadel a diskutujeme o tom, jak různé faktory (včetně úrovně dopingu Er3 + a dutiny) ovlivňují výkon laseru. Na základě výsledků této studie a pomocí jednoduché strategie pro škálování výkonu jsme prokázali laser Er: YAG, který je čerpán pumpovým laserovým vláknem Er, Yb při 1532 nm, s výkonem 31 W cw v 1617 nm pro 72 W výkonu přívodní pumpy při pokojové teplotě. Podle našeho nejlepšího vědomí se jedná o nejvyšší výstupní výkon cw, který byl zaznamenán pro Er: YAG laser pracující na linii 1617 nm.

Obrázek 1. Er: YAG diagram na úrovni energie zobrazující laserové přechody při 1617 nm a 1645 nm.

  2. Experiment

  Hybridní Er: YAG laserová konfigurace použitá v našich experimentech je znázorněna na obr. 2. Er, Yb vláknový čerpací laser byl vyroben ve vlastním domě [11] a obsahoval délku ~ 2,5 m dvojité vrstvy vlákna s 30m(0,22 NA) Er, Yb-dopovaného fosfo-silikátového jádra obklopeného 400mm průměru čistého oxidu křemičitého ve tvaru D. Vlákno bylo potaženo vnějším povlakem s nízkým indexem lomu (n = 1,375) s vnějším obložením z fluorovaného polymeru, což dalo vypočítané hodnoty NA 0,49 pro vedení vodního čerpadla. Operace s absorpčním pikem v Er: YAG při 1532 nm byla dosažena selektivní zpětnou vazbou vlnové délky poskytovanou vnější konfigurací obsahující difrakční mřížku (600 řádků / mm) v konfiguraci Littrow. U vnější dutiny byla použita kolimační čočka s poměrně dlouhou ohniskovou vzdáleností (120 mm), aby spektrální selektivita mřížky byla dostatečná k dosažení užší šířky pásma (~ 0,4 nm) než absorpční pásmo Er: YAG (~ 4 nm ). Zpětná vazba pro lasování na opačném konci vlákna byla poskytnuta ~ 3,6% Fresnelovým odrazem z kolmé odštěpené plochy. Světlo čerpadla bylo zajištěno dvěma polarizovanými devět-barovými diodovými čerpadlovými moduly při 976 nm. Výstupní paprsek z kombinovaných čerpadlových modulů byl prostorově rozdělen na dva nosníky o zhruba stejném výkonu s použitím nožního okraje zrcadla umožňujícího čerpání vlákna Er, Yb z obou konců. Tímto způsobem bylo tepelné zatížení rovnoměrněji rozloženo podél vlákna, což snižuje pravděpodobnost tepelně indukovaného poškození polymerního vnějšího povlaku. Pomocí tohoto uspořádání vlákna Er, Yb poskytly maximální výkon 120 W při 1532 nm v paprsku s M2 < 5 pro ~ 440 W spuštěného výkonu čerpadla. Při této úrovni výkonu byl vláknitý laser náchylný k poškození, takže za účelem zajištění spolehlivého provozu pracoval laser při výkonových úrovních nižších než 75 W.

  Pro Er: YAG laser byl použit jednoduchý skládaný rezonátor se čtyřmi zrcadly. Jednalo se o rovinu čerpadla vstupní vazební člen s vysokou odrazivostí (více než 99,8%) v generujícím vlnové délce (1600-1650 nm) a vysoké přenosu (více než 95%) na čerpací vlnové délce (1532 nm), dvě konkávní zrcadla (R1 a R 2), 100 mm, poloměr-of-zakřivení s vysokou odrazivosti (více než 99,8%), a to jak na vyzařovat laserový paprsek a vlnové délky čerpadla a rovina výstupního propojovacího členu. Pro naši studii byla k dispozici řada výstupních spojů s převodovkami 10%, 20%, 30% a 50% při vlnové délce laseru. Pro zjištění vlivu koncentrace Er3 + na výkon, tři Er:... YAG tyče s hladinou dopování 0,25 v%, 0,5 v% a 1,0 at% a s příslušnými délkami 58 mm, bylo použito 29 mm a 15 mm. Délky krystalů byly vybrány tak, aby všechny tři krystaly měly přibližně stejnou absorpční čerpadlo účinnost při nízkých sil čerpadla (to znamená v nepřítomnosti pozemní stavu bělení). Ta byla měřena na ~ 98%, což naznačuje, že absorpční koeficient v Er: YAG pro čerpání 1532 nm je ~ 260 m-1 /%. Obě koncové plochy tyčí Er: YAG byly antireflexní povlaky pro 1,5 až 1,7mm rozsah vlnových délek pokrývající jak vlnové délky pumpy, tak vlnové délky.

Obrázek 2. Schematický diagram rezonátoru Er: YAG. IC: vstupní vazební zrcadlo

(AR při 1532 nm a HR při 1600-1700 nm). OC: zrcadlo výstupní vazby

 (Přenos (T) 10%, 20%, 30% nebo 50% při 1600-1700 nm).

Tyče Er: YAG bylyumístěné ve vodě chlazené hliníkové chladiči udržované v blízkosti teploty místnosti při teplotě 17 oC a umístěné ve středu ramena rezonátoru definované dvěma zakřivenými zrcátky (R1 a R2). Fyzikální délka tohoto ramena rezonátoru byla ~ 125 mm a celková fyzická délka rezonátoru byla ~ 365 mm, což vedlo k vypočítanému poloměru pasu TEM00 ~ 80mm. Úhel dopadu zakřivených zrcadel byl velmi malý (<10 °), aby se minimalizoval astigmatismus. Pipelový paprsek z laserového vlákna Er, Yb byl spojen do rezonátoru přes rovinný vstupní vazební člen a pak zaměřen na poloměr pasu ~ 75mm v Er: YAG tyči pomocí zakřiveného zrcadla R1. Nepovolaný etalon taveného oxidu křemičitého o hodnotě 100mm tloušťka byla použita k poskytnutí diskriminace vlnové délky (je-li to nutné), aby se zajistilo laserování na čar 1617 nm.

3. Výsledek a diskuse

  Při prahové hodnotě pro kmitání laserem musí být zesílení zaokrouhleno rovnou frakční ztrátě dutiny laseru

sG N l = -[log E (1 - T).+ log E (1 - L)](1)

  kde σg je průřez zisku, N je aktivní koncentrace iontového dopingu, l je délka zesíťovacího média, T je přenos výstupního vazebního členu a L je ztráta dutiny za kulatým výstupem (s výjimkou ztráty výstupní vazby) . Průřez zisku závisí na efektivním průřezu emisí a absorpce (σe a σa) pro přechod a na hustotě obyvatelstva N2 a N1 v horním potrubí (4I13 / 2) a spodním potrubí (4I15 / 2) respektive vztahem [4]:

sG = bsE - (1- b).sA(2)

  kde parametr inversionu β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N při neexistenci přenosu energie - upconversion. Pro vynucení laseru na linii 1617 nm je nutno rezonátor nastavit tak, aby prahová hodnota pro operaci 1617 nm byla nižší než pro kterýkoli jiný laserový přechod od 4I13 / 2 do 4I15 / 2. Obvykle má řada o délce 1645 nm nejnižší prahovou hodnotu vzhledem ke své slabší tříúrovňové charakteristice (tj. Nižší účinný absorpční průřez), a to i přesto, že přechod o délce 1617 nm má mnohem vyšší efektivní emisní průřez. Toto však ponechává otevřené dvě možnosti výběru vlnové délky. Prvním a nejzřetelnějším přístupem je použití ztrátové diskriminace (např. Intracavity etalon) pro výběr linie 1617 nm. Druhým a možná nejjednodušším přístupem je využít skutečnosti, že průřez zisku σg se zvyšuje rychleji s parametrem inverze, β pro řadu 1617 nm než pro linii 1645 nm (viz obr. 3). Výsledkem je, že při vysoké inverziční hustotě je průřez přírůstku při 1617 nm vyšší

Obrázek 3. Výpočtové průřezy zisků při 1617 nm a 1645 nm jako funkce parametru inverze populace.

než při 1645 nm. Při teplotě místnosti (300 K) to vyžaduje, aby alespoň 35% iontů Er3 + bylo excitováno k rozdělovači 4I13 / 2. V praxi to může být dosaženo pouhým zvýšením prahové hodnoty použitím mnohem vyšší přenosové výstupní vazební vazby, aniž by bylo zapotřebí dalších složek s volitelnou intravilitou pro další vlnovou délku.

Předběžné pokusy byly prováděny s použitím Er: YAG tyče s dopingovou hladinou 0,5% a použitím intracavity etalonu pro výběr 1617 nm operace. Výsledky výstupního výkonu laseru jako funkce příkonu čerpadla pro tři různé převodové výstupy (10, 20 a 30%) jsou zobrazeny na obr. 4 (a). Pro porovnání je také zobrazen výstupní výkon pro provoz 1645 nm versus výkon čerpadla (tj. Bez etalonu přítomného v dutině). Je zřejmé, že výkon laseru se zvyšuje při přenosu výstupních vazeb při 1617 nm. Nicméně výstupní síly při 1617 nm jsou o něco nižší než u 1645 nm. Kromě toho dochází k velmi výraznému převrácení výstupního výkonu při 1617 nm, protože výkon čerpadla je vyšší než ~ 60 W na rozdíl od situace při 1645 nm. Obrázek 4 (b) znázorňuje výkon 1617 nm při přenosu výstupních vazeb 50%. V tomto případě nebyl vyžadován etalon. Výkon prahového čerpadla činil ~ 5,2 W a efektivita sklonu s ohledem na výpadový výkon čerpadla činila ~ 42% až na výkon čerpadla ~ 45 W. Při vyšším výkonu čerpadla se výstupní výkon příliš vysoko pohybuje a dosáhne maximálního výstupního výkonu pouze 16 W. Je podstatně nižší než u stejného rezonátoru s 20% a 30% převodovkou výstupního spřáhla. Přidělujeme přeměnu energie na 1617 nm na více výrazný tříúrovňový charakter (tj. Zvýšená ztráta reabsorpce) kvůli zvýšení teploty vyplývající ze zvýšeného tepelného zatížení při vysokém výkonu čerpadla. Situace je dále zhoršena konverzí přenosu energie, která působí na další zvýšení tepelného zatížení, když pracuje při vysokých excitačních hustotách. To je patrné z dramatičtějšího přeměny energie na laser s 50% převodovým výkonem.

Obr. 4. Výstupní výkon versus příkon čerpadla Er: YAG laser s dopingovou hladinou 0,5%

(a) pomocí výstupních vazeb s převodovkami 10%, 20% a 30%. (Pevné symboly představují 1617 nm operaci s etalonem a otevřené symboly představují 1645 nm operaci).

b) výstupní výkon při 1617 nm s převodovkami výstupních vazeb 20%, 30% (s etalonem) a 50% (bez etalonu).

  Experiment jsme opakovali s tyčemi Er: YAG s dopingovými úrovněmi 0,25 at.% A 1,0 at.% Pomocí 50% vysílacího výstupního vazebního členu. Obrázek 5 (a) zobrazuje výstupní výkon jako funkci výkonu čerpadla pro tři úrovně dopingu použité v naší studii. Hustota tepelného zatížení a tudíž zvýšení teploty v dopřádané tyči o průměru 0,25% je alespoň o dvojnásobek nižší než u dopřádané tyče o 0,5% při nižších koncentracích dopingu a snížení ztrát na konverzi. V důsledku toho jsme nezaznamenali žádný převrácený výstupní výkon až na maximální možný výkon čerpadla 75 W. Na rozdíl od toho, že dopřádaná tyč o 1,0% má mnohem vyšší hustotu tepelného zatížení, a tudíž i nárůst teploty a jak se očekávalo, laser dosáhl mnohem horší hodnoty a dosáhl maximálního výstupního výkonu pouze 3 W. Tyto výsledky podporují naše tvrzení, že převrácení energie je způsobeno zvýšeným třístupňovým chováním kvůli tepelnému zatížení a je zhoršeno konverzí přenosu energie. Použití nízkých hladin dopingu Er3 + ve spojení s efektivním řízením tepla je proto rozhodující pro měřítko výkonu při přechodu 1617 nm při provozních režimech s kontinuální vlnou a Q.

Obr. 5. Er: výkon YAG laseru při 1617 nm versus výkon čerpadla pro

 (a) různé dopingové úrovně Er3 + s použitím výstupního vazebního členu s 50% přenosem

a (b) návrh optimalizované dutiny při použití 0,25 at. % krystalu.

  Obrázek 5 (b) zobrazuje výstupní výkon při 1617 nm oproti výkonu čerpadla pro optimalizovanou konstrukci rezonátoru s použitím tyče Er: YAG 0,25%. V tomto případě byly dvě zrcadla o poloměru zakřivení o velikosti 100 mm nahrazena zrcátky s poloměrem zakřivení 150 mm a délka rezonátoru byla nastavena tak, aby poskytla větší vypočtený poloměr pasu TEM00 v pásmu 100mm a tím lepší prostorové překrytí s čerpanou oblastí. Prahový výkon čerpadla činil ~ 4,1 W a účinnost sklonu vzhledem k příkonu čerpadla byla ~ 47%. Nebyla překročena výstupní výkon až na maximální možný výkon čerpadla a laser získal maximální výstupní výkon 31 W při 1617 nm v paprsku s M2»2,2 pro výkon zátěže 72 W.

4.Summary

  Provoz hybridních kapalin Er: YAG laděných v pásmu 1617 nm při vysokých úrovních výkonu v režimech s kontinuální vlnou nebo v Q-zapnutém režimu je mnohem náročnější než při provozu na známé 1645 nm linii. Naše výsledky naznačují, že hlavním důvodem je tepelné zatížení způsobené ohřevem kvantových defektů a přeměnou energie na přenesení energie a související zvýšení teploty a nižší reabsorpční ztráty. Dospěli jsme k závěru, že pro dosažení měřítka výkonu v tomto přechodu je důležité použití nízké úrovně dopingu Er3 + a účinného řízení tepla. Použitím této jednoduché strategie měřícího výkonu jsme demonstrovali na Er: YAG laseru, který byl čerpán vysoce výkonným laserovým vláknem Er a Yb při vlnové délce 1532 nm s výstupním výkonem 31 W při 1617 nm při 72 W příkonu a s odpovídající efektivitou sklonu 47%. Další škálování výstupního výkonu a prodloužení Q-switched režimu provozu může mít prospěch z použití ještě nižších úrovní dopingu Erbium.

  Poděkování

  Tato práce byla financována střediskem pro obranné technologie elektromagnetického dálkového průzkumu (EMRS), které zřídilo Ministerstvo obrany Spojeného království.