Одномодовая генерация в диоднонакачиваемых лазерах на основе алюмината иттрия, допированного неодимом, и иттербий-эрбиевого стекла с пассивной модуляцией добротности

Богданович М.В., Григорьев А.В., Дудиков В.Н., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Татура П.О., Тепляшин Л.Л., Шпак П.В., Щемелев М.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Богданович М.В., Григорьев А.В., Дудиков В.Н., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Татура П.О., Тепляшин Л.Л., Шпак П.В., Щемелев М.А. Одномодовая генерация в диоднонакачиваемых лазерах на основе алюмината иттрия, допированного неодимом, и иттербий-эрбиевого стекла с пассивной модуляцией добротности // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 17–28. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-17-28

Bogdanovich M.V., Grigor’evA.V., DudikovV.N., RyabtsevA.G., Ryabtsev G.I., TaturaP.O., TeplyashinL.L., Shpak P.V., Shchemelev M.A. Single-mode lasing in the diode-pumped passive Q-switch lasers based on neodymium doped yttrium aluminate and ytterbium-erbium glass active elements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 8. P. 17–28. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-17-28

Ссылка на англоязычную версию:

Maxim Bogdanovich, Alexandr Grigor’ev, Valery Dudikov, Andrew Ryabtsev, Gennadii Ryabtsev, Pavel Tatura, Leonid Teplyashin, Pavel Shpak, and Maxim Shchemelev, "Single-mode lasing in diode-pumped passive Q-switch lasers based on neodymium-doped yttrium aluminate and ytterbium-erbium glass active elements," Journal of Optical Technology. 90(8), 428-434 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000428

Аннотация:

Предмет исследования. Рассмотрены два типа лазеров с поперечной диодной накачкой: лазеры с активным элементом из алюмината иттрия, допированного неодимом, и пассивным Cr⁴⁺:YAG-модулятором добротности (длина волны генерации 1064 нм) и лазеры с активным элементом из иттербий-эрбиевого стекла и пассивным Со²⁺:MgAl₂O₄-модулятором добротности (1535 нм). Цель работы — исследование селектирующих свойств резонаторов твёрдотельных диоднонакачиваемых лазеров, моноимпульсы которых формируются модуляторами добротности в виде просветляющихся фильтров. Метод. Экспериментально определены условия, при которых в лазерных резонаторах устанавливаются режимы одномодовой/одночастотной генерации. Путём моделирования оценены временные интервалы, характеризующие процессы развития моноимпульсов в лазерах с просветляющимися фильтрами/затворами, и число проходов импульсов излучения по резонаторам до момента достижения максимальной мощности генерируемого излучения. Основные результаты. Показано, что генерируемое излучение в резонаторе иттербий-эрбиевого лазера с фильтром Со²⁺:MgAl₂O₄ формируется в более длительный промежуток времени, чем в резонаторе неодимового лазера с фильтром Cr⁴⁺:YAG, что позволяет задавать одномодовый/одночастотный режим генерации иттербий-эрбиевого лазера без введения в резонатор дополнительных частотно-зависимых элементов. Одномодовый режим генерации Nd:YAG-лазера устанавливается при добавлении в резонатор интерференционно-поляризационного фильтра Лио с фазовой пластинкой в виде активного элемента с термонаведённым двулучепреломлением и поляризатором. Практическая значимость. Полученные данные (эксперимент и моделирование) могут быть использованы при разработке и создании компактных узкополосных диоднонакачиваемых лазеров для ближней инфракрасной области, в том числе, и для условно безопасного спектрального диапазона.

Ключевые слова:

твёрдотельный лазер, допированный неодимом алюминат иттрия, иттербий-эрбиевое стекло, пассивный модулятор добротности, поперечная диодная накачка, одномодовое лазерное излучение

Благодарность:

работа выполнялась при поддержке ГПНИ «Фотоника и электроника для инноваций, задание 1.4» и проекта БРФФИ Ф21УЗБГ–025. Авторы выражают благодарность К.И. Ланцову за помощь в работе

Коды OCIS: 140.3480, 140.3540, 140.3580, 140.3430

Список источников:

1. Кравцов Н.В., Наний О.Е. Высокостабильные одночастотные твердотельные лазеры // Квантовая электроника. 1993. Т. 20. № 4. С. 322–344. https://doi.org/10.1070/QE1993v023n04ABEH002992

2. Анциферов В.В. Мощные одночастотные перестраиваемые твердотельные лазеры // Журнал технической физики. 1998. Т. 68. № 10. C. 74–79.

3. Зуев В.Е., Зуев В.В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. СПб: Гидрометеоиздат, 1992. 232 с.

4. Schroder T., Lemmerz C., Reitebuch O., Wirth M., Wuhrer C., Treichel R. Frequency jitter and spectral width of an injection-seeded Q-switched Nd:YAG laser for Doppler wind lidar // Appl. Phys. B. 2007. V. 87. P. 437–444. https://doi.org/10.1007/s00340-007-2627-5

5. Reitebuch O., Lemmerz Ch., Nagel E., Paffrath U., Durand Y., Endemann M., Fabre F., Chaloupy M. The airborne demonstrator for the direct–detection Doppler wind lidar ALADIN on ADM-Aeolus. Part I: Instrument design and comparison to satellite instrument // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2009. V. 26. P. 2501–2515. https://doi.org/10.1175/2009JTECHA1309.1

6. Банах В.А., Разенков И.А. Аэрозольный лидар для исследования усиления обратного атмосферного рассеяния. II. Конструкция и эксперимент // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 2. С. 113–119.

7. Богданович М.В., Григорьев А.В., Ланцов К.И., Лепченков К.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Титовец В.С., Щемелев М.А. Портативные твердотельные лазеры с диодной накачкой // Фотоника. 2016. Т. 55. № 1. С. 58–63.

8. Богданович М.В., Григорьев А.В., Калинов В.С., Костик О.Е., Ланцов К.И., Лепченков К.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Шпак П.В., Тепляшин Л.Л., Щемелев М.А. Одночастотный моноимпульсный YAG:Nd-лазер с кольцевым резонатором и поперечной диодной накачкой // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86. № 1. С. 58–65. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00779-4

9. Батура Е.О., Богданович М.В., Григорьев А.В., Дудиков В.Н., Ланцов К.И., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Шпак П.В., Тепляшин Л.Л., Щемелев М.А., Садовский П.И. Одночастотный Yb,Er-лазер с поперечной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности // Журнал прикладной спектроскопии. 2021. Т. 88. № 1. С. 57–64. https://doi.org/10.1007/s10812-021-01139-x

10. Soffer B.H. Giant pulse laser operation by a passive, reversibly bleachable absorber // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. № 8. P. 2551. https://doi.org/10.1063/1.1702903

11. Sooy W.R. The natural selection of modes in a passive Q-switched laser // Appl. Phys. Letters. 1965. V. 7. № 2. P. 36–37. https://doi.org/10.1063/1.1754286

12. Пилипович В.А., Ковалев А.А. Оптические квантовые генераторы с просветляющимися фильтрами. Минск: Наука и техника, 1975. 216 с.

13. Тарасов Л.В. Физика лазера. Изд. 2–е, испр. и доп. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2010. 456 с.

14. Svelto O. Principles of lasers. 5th ed. Springer, New York, Dordrecht, Heidelberg, London, 2010. 620 p.; https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1302-9

15. Berry A.J., Hanna D.C., Sawyers C.C. High power single frequency operation of a Q-switched TEM00 mode Nd:YAG laser // Optics Communications. 1981. V. 40. № 1. P. 54–58. https://doi.org/10.1016/0030-4018(81)90270-4

16. Bjorkholm J.E., Stolen R.H. A simple single-mode giant-pulse ruby laser // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 8. P. 4043–4044. https://doi.org/10.1063/1.1656911

17. Кисель В.Э., Ясюкевич А.С., Кондратюк Н.В., Кулешов Н.В. Высокочастотный Yb-микролазер с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 11. С. 1018–1022. https://doi.org/10.1070/QE2009v039n11ABEH014151

18. Dascalu T., Pavel N., Lupei V., Philipps G., Beck Th., Weber H. Investigation of a passive Q-switched, externally controlled, quasicontinuous or continuous pumped Nd:YAG laser // Opt. Eng. 1996. V. 35. № 5. P. 1247–1251. https://doi.org/10.1117/1.600670

19. Zhang X., Zhao Sh., Wang Q., Zhang Q., Sun L., Zhang Sh. Optimization of Cr⁴⁺-doped saturable-absorber Q-switched lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1997. V. 33. № 12. P. 2286–2294. https://doi.org/10.1109/3.644112

20. Tsunekane M., Taira T. Direct measurement of temporal transmission distribution of a saturable absorber in a passively Q-switched laser // IEEE J. Quantum Electron. 2016. V. 52. № 5. P. 5200107 (1–7). http://doi.org/10.1109/JQE.2016.2541922

21. Dong J., Deng P., Xu J., Gan F. Investigation of absorption spectra of (Cr⁴⁺,Yb³⁺):YAG crystal // Proceeding of SPIE. 1999 (Int. Conf. on Industrial Lasers, 8 September 1999). V. 3862. P. 194–198. http://doi.org/ 10.1117/12.361135

22. Yumashev K.V., Denisov I.A., Posnov N.N., Kuleshov N.V., Moncorge R. Excited state absorption and passive Q-switch performance of Co²⁺ doped oxide crystals // J. of Alloys and Compounds. 2002. V. 341. P. 366–370. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(02)00039-7

23. Goldstein A., Loiko P., Burshtein Z., Skoptsov N., Glazunov I., Galun E., Kuleshov N., Yumashev K. Development of saturable absorbers for laser passive Q-switching near 1.5 µm based on transparent ceramic Co²⁺:MgAl₂O₄ // J. Am. Ceram. Soc. 2016. V. 99. № 4. P. 1324–1331. https://doi.org/10.1111/jace.14102

24. Ryabtsev G.I., Bezyazychnaya T.V., Bogdanovich M.V., Grigor’ev A.V., Kabanov V.V., Lebiadok Y.V., Ryabtsev A.G., Shchemelev M.A. Optimized diode-pumped passive Q-switched ytterbium-erbium glass laser // Appl. Phys. B. 2012. V. 108. P. 283–288. http://doi.org/10.1007/s00340-012-5036-3

25. Богданович М.В., Изынеев А.А., Ланцов К.И., Лепченков К.В., Рябцев А.Г., Павловский В.Н., Садовский П.И., Свитенков И.Е., Щемелев М.А. Влияние температуры на оптические параметры Yb,Er-лазера с поперечной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности // Журнал прикладной спектроскопии. 2018. Т. 85. № 1. С. 56–63. https://doi.org/10.1007/s10812-018-0610-z

26. Кисель В.Э., Щербицкий В.Г., Кулешов Н.В., Постнова Л.И., Левченко В.И., Галаган Б.И., Денкер Б.И., Сверчков С.Е. Пассивные затворы для модуляции добротности лазера на эрбиевом стекле с диодной накачкой // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 7. С. 611–614. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n07ABEH008954

27. Богданович М.В., Григорьев А.В., Ланцов К.И., Лебедок Е.В., Лепченков К.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Щемелев М.А. Усиленная люминесценция и паразитные моды генерации в активном элементе YAG:Nd-лазера с поперечной диодной накачкой // Журнал прикладной спектроскопии. 2015. Т. 82. № 4. С. 538–542. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0147-3

28. Богданович М.В., Григорьев А.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Шпак П.В., Щемелев М.А., Лепченков К.В., Ланцов К.И., Дудиков В.Н., Кот А.М. Усиленная люминесценция и неаксиальные моды излучения в активных элементах мощных твердотельных лазеров с поперечной диодной накачкой // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 9. С. 31–36. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-09-31-36

29. Hercher M. An analysis of saturable absorbers // Applied Optics. 1967. V. 6. № 5. P. 947–954. https://doi.org/10.1364/AO.6.000947

30. Demchuk M.I., Kuleshov N.V., Mikhailov V.P. Saturable absorbers based on impurity and defect centers in crystals // IEEE J. Quantum Electron. 1994. V. 30. № 9. P. 2120–2126. https://doi.org/10.1109/3.309872

31. Tsunekane M., Taira T. Direct measurement of temporal transmission distribution of a saturable absorber in a passively Q-switched laser // IEEE J. Quantum Electron. 2016. V. 52. № 5. P. 5200107 (1–7). http://doi.org/ 10.1109/JQE.2016.2541922

32. Богданович М.В., Григорьев А.В., Дудиков В.Н., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Татура П.О., Шпак П.В., Тепляшин Л.Л., Болтаев Г.С. Характеристики Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой и Cr:YAG пассивным затвором в широком температурном диапазоне // Журнал прикладной спектроскопии. 2023. Т. 90. № 2. С. 143–148. http://doi.org/10.47612/0514-7506-2023-90-2-143-148

33. Методы расчета оптических квантовых генераторов: В 4 т. / Под. ред. Б.И. Степанова. Минск: Наука и техника, 1968. Т. 1–4.

34. Богданович М.В., Григорьев А.В., Дудиков В.Н., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Татура П.О., Шпак П.В., Щемелев М.А. Термонаведенное двулучепреломление и модовая селекция в резонаторе Nd:YAG-лазера с пассивной модуляцией добротности // Журнал прикладной спектроскопии. 2022. Т. 89. № 5. С. 621–625. https://doi.org/10.1007/s10812-022-01433-2