RU2542634C1

RU2542634C1 - Two-micron solid-state laser

Info

Publication number: RU2542634C1
Application number: RU2013140535/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Васильевич Осико; Елена Евгеньевна Ломонова; Полина Анатольевна Рябочкина; Сергей Николаевич Ушаков; Алексей Николаевич Чабушкин
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-02-20
Also published as: RU2013140535A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: two-micron solid-state laser comprises a cavity with an active medium and an optical pumping source in the form of a solid-state laser. The cavity is formed from two mirrors and the active medium used is a zirconium dioxide crystal which is stabilised with Ho³⁺ ion-activated yttrium.

EFFECT: enabling laser generation at wavelength of 2,17 mcm.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в ближнем ИК-диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.The invention relates to the field of quantum electronics, and in particular to methods for generating coherent electromagnetic radiation in the near infrared range of the spectrum, and can be used in the design of solid-state lasers with an active medium in the form of dielectric crystals.

Для практических применений в медицине, а также для мониторинга газов (NH₃, CH₄ и др.) в атмосфере значительный интерес представляет лазерное излучение в диапазоне длин волн 1,9-2,2 мкм. В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы, активированные ионами Tm³⁺, Ho³⁺.For practical applications in medicine, as well as for monitoring gases (NH ₃ , CH ₄ , etc.) in the atmosphere, laser radiation in the wavelength range of 1.9–2.2 μm is of considerable interest. As the active medium of lasers generating radiation in this spectral range, crystals commonly activated by Tm ³⁺ and Ho ³⁺ ions are usually used.

Из литературных источников известно, что на кристаллах YAG:Ho самая длинноволновая генерация излучения соответствует 2,12 мкм. [K.Scholle, S.Lamirini, P.Koopman and Peter Fuhrberg. Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics. P.674. 2010. INTECH. Crotia.]. Также известен волоконный лазер, генерирующий излучение на длине волны 2,21 мкм [С.О.Антипов, В.А.Камынин, О.И.Медведков, А.В.Маракулин, А.А.Минашин, А.С.Курков, А.В.Баранников. Квантовая электроника. 2013. Т.43. №7. С.603-604].From literary sources it is known that on YAG: Ho crystals the longest wavelength generation of radiation corresponds to 2.12 microns. [K.Scholle, S. Lamirini, P. Koopman and Peter Fuhrberg. Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics. P.674 2010. INTECH. Crotia.]. Also known is a fiber laser that generates radiation at a wavelength of 2.21 μm [S.O. Antipov, V.A. Kamynin, O. I. Medvedkov, A. V. Marakulin, A. A. Minashin, A. S. Kurkov A.V. Barannikov. Quantum Electronics. 2013.V. 43. Number 7. S. 603-604].

Однако следует заметить, что недостатками волоконных лазеров по отношению к твердотельным лазерам являются возможность возникновения в волокне оптических нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объемом активного вещества.However, it should be noted that the disadvantages of fiber lasers with respect to solid-state lasers are the possibility of optical nonlinear effects occurring in the fiber due to the high radiation density and the relatively small output energy per pulse due to the small volume of the active substance.

Поэтому, наряду с созданием волоконных лазеров, генерирующих излучение в области длин волн 2,1-2,2 мкм, актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.Therefore, along with the creation of fiber lasers generating radiation in the wavelength range of 2.1-2.2 μm, the task of finding laser materials for solid-state lasers generating radiation in this spectral range is relevant and important for practical applications.

Известен оптический квантовый генератор, генерирующий излучение на длине волны 2,1 мкм, содержащий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из, по крайней мере, двух зеркал. В качестве активной среды использован кристалл YAG:Ho или YLF:Ho, а в качестве источника оптической накачки использован лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,9 мкм (US 5315608, US 07/916.467, опубл. 24.05.1994).Known optical quantum generator that generates radiation at a wavelength of 2.1 μm, containing a resonator with an active medium and an optical pump source, while the resonator is formed of at least two mirrors. A YAG: Ho or YLF: Ho crystal was used as an active medium, and a laser diode with radiation at a wavelength selected in the range of 1.9 μm was used as an optical pump source (US 5315608, US 07 / 916.467, publ. 05.24.1994 )

Недостатком известного решения является невозможность генерации лазерного излучения в спектральном диапазоне выше 2,15 мкм, так как в диапазоне длин волн выше 2,15 мкм интенсивность в спектре люминесценции, обусловленном переходом ⁵I₇→⁵I₈ ионов Hо³⁺ в кристаллах YAG:Ho или YLF:Ho, близка к 0.A disadvantage of the known solution is the impossibility of generating laser radiation in the spectral range above 2.15 μm, since in the wavelength range above 2.15 μm, the intensity in the luminescence spectrum due to the transition of ⁵ I ₇ → ⁵ I ₈ Ho ³⁺ ions in YAG crystals: Ho or YLF: Ho, close to 0.

Технический результат заключается в создании твердотельного лазера с длиной волны лазерной генерации 2,17 мкм.The technical result consists in the creation of a solid-state laser with a wavelength of laser generation of 2.17 μm.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухмикронном твердотельном лазере, включающем резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер, при этом резонатор сформирован из двух зеркал, в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺. В качестве источника оптической накачки использован лазер на кристалле YLiF₄:Tm, генерирующий излучение на длине волны 1,905 мкм.The essence of the invention lies in the fact that in a two-micron solid-state laser, which includes a resonator with an active medium and an optical pump source, which uses a solid-state laser, the resonator is formed from two mirrors, a yttrium stabilized zirconia crystal activated as an active medium ions of Ho ³⁺ . A YLiF ₄ : Tm crystal laser was used as an optical pumping source, generating radiation at a wavelength of 1.905 μm.

Технология получения кристаллов стабилизированного иттрием диоксида циркония, активированного редкоземельными ионами, в настоящее время в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества.The technology for the production of crystals of yttrium-stabilized zirconia activated by rare-earth ions has been developed in Russia and makes it possible to obtain crystals of good optical quality.

На фиг.1 показана оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера.Figure 1 shows the optical scheme of a two-micron solid-state laser.

На фиг.2 - показан импульс лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.Figure 2 - shows the laser pulse at the transition ⁵ I ₇ → ⁵ I ₈ Ho ³⁺ ions on ZrO ₂ crystals - 13.6 mol.% Y ₂ O ₃ - 0.4 mol.% Ho ₂ O ₃ .

На фиг.3 - спектр лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.Figure 3 - laser spectrum at the transition ⁵ I ₇ → ⁵ I ₈ Ho ³⁺ ions on ZrO ₂ crystals - 13.6 mol.% Y ₂ O ₃ - 0.4 mol.% Ho ₂ O ₃ .

Оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера (фиг.1) содержит резонатор, включающий входное зеркало 1 и выходное зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺ (ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃). В качестве источника накачки использован твердотельный лазер 4 на кристалле YLiF₄:Tm с длиной волны излучения 1,905 мкм. Перед входным зеркалом 1 установлен обтюратор 5.The optical scheme of a two-micron solid-state laser (Fig. 1) contains a resonator including an input mirror 1 and an output mirror 2, an active medium 3, which uses a yttrium stabilized zirconia crystal activated by Ho ³⁺ ions (ZrO ₂ - 13.6 mol % Y ₂ O ₃ - 0.4 mol% Ho ₂ O ₃ ). A solid-state laser 4 based on a YLiF ₄ : Tm crystal with a radiation wavelength of 1.905 μm was used as a pump source. An obturator 5 is installed in front of the input mirror 1.

Лазер работает следующим образом. Накачка активного элемента осуществлялась на уровень ⁵I₇ ионов Ho³⁺ твердотельным лазером на кристалле YLiF₄:Tm 1 с длиной волны излучения 1,905 мкм. Для снижения тепловой нагрузки на активный элемент использовался обтюратор 5, формирующий импульсы накачки длительностью 30 мс с частотой повторения ~3 Гц.The laser operates as follows. The active element was pumped to the ⁵ I ₇ level of Ho ³⁺ ions by a YLiF ₄ : Tm 1 solid-state laser with a radiation wavelength of 1.905 μm. To reduce the thermal load on the active element, an obturator 5 was used, which generated pump pulses of 30 ms duration with a repetition rate of ~ 3 Hz.

Активная среда 3 в виде элемента размером 3×3×20 мм, вырезанного из кристалла 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃, на торцы которого нанесено просветляющее покрытие на длину волны генерации (λ_ген~2,15 мкм). Излучение лазера накачки фокусировалось в активном элементе с помощью линзы 6. Диаметр перетяжки составлял 300 мкм. В эксперименте использовался конфокальный резонатор, образованный плоским зеркалом 1, коэффициент пропускания в области накачки ≥60%, коэффициент отражения на длине волны генерации более 99%, и сферическим выходным зеркалом 6 с коэффициентом пропускания на длине волны генерации менее 1% с радиусом кривизны рабочей поверхности 100 мм. Система термостабилизации обеспечивала поддержание температуры медной оправки активного элемента ~18°C. Осциллограммы импульса лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ и импульса возбуждения, полученные с помощью цифрового осциллографа GDS 720C, представлены на фиг.2. Лазерная генерация на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ в кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ была получена на длине волны 2,17 мкм. Порог генерации составил 380 мВт по поглощенной мощности накачки.Active medium 3 in the form of an element 3 × 3 × 20 mm in size, cut from a crystal of 13.6 mol.% Y ₂ O ₃ - 0.4 mol.% Ho ₂ O ₃ , on the ends of which an antireflection coating is applied at the generation wavelength ( λ _gene ~ 2.15 μm). The pump laser radiation was focused in the active element using a lens 6. The diameter of the waist was 300 μm. The experiment used a confocal resonator formed by a flat mirror 1, the transmittance in the pump region ≥60%, the reflection coefficient at the generation wavelength more than 99%, and the spherical output mirror 6 with the transmittance at the generation wavelength less than 1% with a radius of curvature of the working surface 100 mm The thermal stabilization system ensured that the temperature of the copper mandrel of the active element was ~ 18 ° C. Oscillograms of a laser pulse on a ZrO ₂ crystal — 13.6 mol% Y ₂ O ₃ —0.4 mol% Ho ₂ O ₃ and an excitation pulse obtained with a GDS 720C digital oscilloscope are shown in FIG. 2. Laser generation at the ⁵ I ₇ → ⁵ I ₈ transition of Ho ³⁺ ions in ZrO ₂ crystals - 13.6 mol% Y ₂ O ₃ - 0.4 mol% Ho ₂ O ₃ was obtained at a wavelength of 2.17 μm . The generation threshold was 380 mW for the absorbed pump power.

Спектр лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ показан на фиг.3.The spectrum of laser generation on a ZrO ₂ crystal - 13.6 mol.% Y ₂ O ₃ - 0.4 mol.% Ho ₂ O ₃ shown in figure 3.

По сравнению с известными решениями предлагаемое изобретение позволяет создавать твердотельные лазеры с длиной волны генерации 2,17 мкм.Compared with known solutions, the present invention allows the creation of solid-state lasers with a generation wavelength of 2.17 μm.

Claims

1. A two-micron solid-state laser including a resonator with an active medium and an optical pump source, which is used as a solid-state laser, the cavity being formed from two mirrors, characterized in that a zirconia crystal stabilized by yttrium activated by Ho ions is used as an active medium ³⁺ .

2. A two-micron solid-state laser according to claim 1, characterized in that a YLiF ₄ : Tm crystal laser is used as the optical pump source, generating radiation at a wavelength of 1.905 μm.