BIULETYN WAT VOL. LVII, NR, 8 Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O JAROSŁAW MŁYŃCZAK, KRZYSZTOF KOPCZYŃSKI, ZYGMUNT MIERCZYK Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, -98 Warszawa, ul. S. Kaliskiego Streszczenie. Przeprowadzono badania generacji impulsowej mikrolaserów generujących promieniowanie. μm, powstałych w wyniku termicznego, trwałego połączenia ośrodka aktywnego oraz nieliniowego absorbera. Ośrodkiem aktywnym w badanych mikrolaserach było szkło SELG (Strong Erbium Laser Glass) domieszkowane jonami erbu i iterbu, natomiast nieliniowym absorberem kryształ Co + :MgAl O. Wyznaczono charakterystyki generacyjne mikrolaserów przy pompowaniu diodami laserowymi, generującymi promieniowanie o długości fali 97 nm i 99 nm. Badano również wpływ wielkości przewężenia wiązki pompującej oraz położenia ośrodka aktywnego względem tego przewężenia na parametry generacji. Wykonano badania widma generacji mikrolaserów oraz oszacowano rozbieżność generowanej wiązki laserowej. Słowa kluczowe: szkła erbowe, nieliniowe absorbery, mikrolasery Symbole UKD: 6.7.86. Wprowadzenie Szkło erbowo-iterbowe po raz pierwszy zastosowano do generacji promieniowania laserowego o długości fali, μm na początku lat dziewięćdziesiątych []. Układy laserowe z tym ośrodkiem aktywnym znalazły szereg praktycznych zastosowań [, ]. Wraz z rozwojem nowych źródeł pompujących, jakimi są diody laserowe generujące coraz wyższe moce, rosną wymagania na odporność mechaniczną, cieplną i optyczną nowych ośrodków aktywnych. Dla laserów pompowanych diodami laserowymi wymagane są również wyższe koncentracje domieszek. W związku z tym trwają intensywne prace nad nowymi ośrodkami szklanymi o coraz
J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk wyższej odporności termicznej i optymalnej koncentracji domieszek. Ze względu na niską przewodność cieplną szkieł laserowych, równolegle trwają intensywne poszukiwania odpowiednich do generacji promieniowania, μm krystalicznych ośrodków aktywnych. Szkła erbowo-iterbowe SELG (Strong Erbium Laser Glass) o podwyższonym progu uszkodzenia termicznego opracowano w Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, w zespole prof. Denkera []. Łączą one w sobie właściwości szkieł krzemianowych (właściwości termomechaniczne) i fosforanowych (duża sprawność generacji). Głównym przeznaczeniem nowych ośrodków są aplikacje mikrolaserowe. Parametry szkła typu SELG w porównaniu z parametrami komercyjnie dostępnego szkła QX/Er produkowanego przez firmę KIGRE przedstawione są w tabeli. Parametry szkła SELG w porównaniu z parametrami szkła QX/Er [,, 6] Tabela Parametr QX/Er szkło SELG α T współczynnik temperaturowej rozszerzalności liniowej (- C) (* -7 K - ) 8 7 W o współczynnik termo-optyczny ( C) W o = dn/dt+α(n-) (* -7 K - ) 66 dn/dt (- C) (* -7 K - ) 7 ρ gęstość (g/cm ),9,8 κ współczynnik przewodnictwa cieplnego (W/m*K),8,8±, Twardość (kgf/mm ) 7± Temperatura deformacji ( C) 8 7 Odporność na uszkodzenia termiczne - 6-7 Odporność na uszkodzenia termiczne (szkło powierzchniowo utwardzone) - 8- Szkło SELG posiada mniejszy współczynnik rozszerzalności termicznej, wyższą temperaturę deformacji oraz znacznie większą twardość w porównaniu ze szkłem QX/Er. Jest znacznie odporniejsze na szoki i uszkodzenia termiczne. Odporność na uszkodzenia termiczne szkieł może być również zwiększona przez powierzchniowe utwardzenie ośrodka. Utwardzenie uzyskuje się wprowadzając dodatkowe naprężenia ściskające na powierzchni dokonując, w procesie dyfuzji, powierzchniowej wymiany jonów litu (dodawanych do szkieł w fazie wytapiania) na jony sodu i potasu o znacznie większej średnicy [7]. W celu uzyskania generacji impulsowej w mikrolaserach stosuje się nieliniowe absorbery jako modulatory dobroci rezonatora. W chwili obecnej najlepszym dostęp-
Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O nym nieliniowym absorberem wydaje się być kryształ Co + :MgAl O [8]. Materiał ten posiada bardzo dobre właściwości mechaniczne, duże przekroje czynne na absorpcję oraz długie czasy relaksacji. Dodatkową zaletą jest fakt, że dzięki niskiej intensywności nasycenia, ok. MW/cm, nie trzeba ogniskować wiązki promieniowania na nieliniowym absorberze w celu efektywnej generacji monoimpulsów [9]. Na jego korzyść przemawiają również wysoki próg uszkodzenia, parametry spektroskopowe i laserowe, które są zdecydowanie lepsze niż dla innych absorberów [, ].. Struktura badanych mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O Badane mikrolasery wykonane były w procesie termicznego połączenie ośrodka aktywnego, jakim było szkło SELG z nieliniowym absorberem Co + :MgAl O. Taki układ pozwalał na dodatkowe odprowadzanie ciepła ze względu na duży współczynnik przewodzenia cieplnego nieliniowego absorbera (,8 J/K cm s). Pozwalało to także uniknąć oddzielnego justowania obu elementów, a także zmniejszyć termiczną deformację układu (współczynnik rozszerzalności temperaturowej Co + :MgAl O wynosi 6 7 K i jest porównywalny ze współczynnikiem dla SELG) [6]. Dodatkowo nie ma konieczności justowania wzajemnego położenia tych dwóch ośrodków oraz konstrukcja jest prostsza. Zastosowane szkło SELG posiadało koncentrację domieszek odpowiednio Yb,7. cm, Er,7. cm (SELG-) oraz grubość, mm, natomiast nieliniowy absorber charakteryzował się transmisją początkową 98,% i grubością, mm. Na czoła mikrolaserów zostały nałożone warstwy zwierciadeł dielektrycznych AR 97 nm i HR nm (po stronie ośrodka aktywnego) oraz HR 97 nm i R = 98% nm (po stronie nieliniowego absorbera), tworzące rezonator optyczny. Po odpowiednim wycięciu mikrolasery posiadały kształt prostopadłościanu o wysokości,6 mm i podstawie kwadratu o boku mm.. Charakterystyki generacyjne badanych mikrolaserów Badania generacyjne przeprowadzono w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku wykorzystując do pompowania diody laserowe LIMO-F-DL976 oraz LIMO-F-DL9, generujące promieniowanie odpowiednio 97 nm oraz 99 nm w temperaturze 7 C. Promieniowanie pompujące kształtowane było przez układ optyczny i skupiane wewnątrz ośrodka aktywnego. Do pomiaru generowanej mocy średniej zastosowano sondę pomiarową RkT- oraz miernik mocy Rk-7, natomiast do detekcji impulsów wykorzystano szybką fotodiodę ET- oraz oscyloskop TEKTRONIX DPO-7 (, GHz, Gs/s).
J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk Uk³ad optyczny Mikrolaser Sonda pomiarowa RkT- Oœrodek aktywny Nieliniowy absorber Fotodioda ET- Miernik energii Rk7 Œwiat³owód Zasilacz LDD- Diody laserowe LIMO-F-DL976 LIMO-F-DL9 Ch³odziarka termoelektryczna LIMO-KB8-TEC Oscyloskop TEKTRONIX DPO-7 Rys.. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk generacyjnych badanych mikrolaserów Uzyskane zależności generowanej mocy średniej, energii w impulsie, mocy szczytowej w impulsie, czasu trwania impulsu oraz częstotliwości impulsów od mocy diody pompującej, dla czterech mikrolaserów, przedstawiono na rysunkach od do 6. Zależności generowanej mocy średniej oraz częstotliwości impulsów od mocy diody pompującej aproksymowano linią prostą i równania przedstawiono na wykresach. Ze względu na fakt, że mikrolasery zostały wytworzone w ten sam sposób, to różnice pomiędzy ich poszczególnymi charakterystykami są niewielkie, jednak największą mocą w impulsie charakteryzuje się mikrolaser nr. Œrednia moc wyjœciowa [mw] mikrolaser nr y =,6x - 6, y =,x -, y =,8x -,8 y =,98x -,7 6 y =,7x -,8 y =,76x -,8 y =,67x -,77 y =,7x - 9,869 6 6 7 7 8 Rys.. Zależności generowanej mocy średniej od mocy diody pompującej: (a) dla promieniowania pompującego 97 nm; (b) dla 99 nm Œrednia moc wyjœciowa [mw] mikrolaser nr
Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O Energia impulsu [ J] 8 6 8 6 mikrolaser nr 6 6 6 7 7 8 Rys.. Zależności generowanej energii w impulsie od mocy diody pompującej: (a) dla promieniowania pompującego 97 nm; (b) dla 99 nm Energia impulsu [ J] mikrolaser nr,,,,, mikrolaser nr, mikrolaser nr,,,, 6 6 6 7 7 8 Moc pojedynczego impulsu [kw] Rys.. Zależności mocy szczytowej w impulsie od mocy diody pompującej: (a) dla promieniowania pompującego 97 nm; (b) dla 99 nm Moc pojedynczego impulsu [kw] 6 6 Czas trwania impulsu [ns] mikrolaser nr Czas trwania impulsu [ns] mikrolaser nr 6 6 6 7 7 8 Rys.. Zależności czasu trwania impulsu od mocy diody pompującej: (a) dla promieniowania pompującego 97 nm; (b) dla 99 nm
6 J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk Czêstotliwoœæ generacji [khz],,,, mikrolaser nr y =,8x -,976 y =,9x -,7 y =,7x -, y =,7x -,88 6 y =,x -, y =,x -,79 y =,9x -, y =,9x -,6 6 6 7 7 8 Rys. 6. Zależności częstotliwości impulsów od mocy diody pompującej: (a) dla promieniowania pompującego 97 nm; (b) dla 99 nm Czêstotliwoœæ generacji [khz],,,8,6,, mikrolaser nr Liniowy () Przykładowe przebiegi pojedynczego impulsu oraz ciągu impulsów zarejestrowane na oscyloskopie, dla pompowania promieniowaniem 97 nm, pokazano na rysunku 7. Rys. 7. Oscylogram pojedynczego impulsu dla mocy pompy mw (a) oraz oscylogram ciągu impulsów dla mocy pompy 6 mw (b) Jak wiadomo, parametry generacyjne w bardzo istotny sposób zależą od wielkości średnicy przewężenia wiązki pompującej w ośrodku aktywnym. W związku z tym powyższe badania wykonano przy zachowaniu stałej średnicy przewężenia 6 μm dla wszystkich mikrolaserów. Podobne badania wykonano dla średnicy przewężenia μm dla mikrolaserów nr i nr przy pompowaniu długością fali 97 nm. Ich charakterystyki generacyjne przedstawiono na rysunkach 8-. Mikrolaser nr zaczyna się nasycać powyżej mocy pompującej mw, w związku z tym dane pomiarowe mocy średniej oraz częstotliwości aproksymowano linią prostą tylko dla zakresu poniżej tej wielkości. W tabeli zestawiono podstawowe parametry generacyjne badanych mikrolaserów. Porównano je z parametrami uzyskanymi przez Karlssona, który zastosował
Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O 7 podobną konfigurację mikrolasera (ośrodek aktywny SELG- o długości mm w trwałym połączeniu z nieliniowym absorberem o grubości,7 mm i transmisji początkowej 98,%, transmisja zwierciadła wyjściowego 96%, pompowanie diodą laserową 97 nm) [6]. Œrednia moc wyjœciowa [mw] 8 7 6 y =,76x -,9 y =,6x -, 6 7 8 9 8 7 6 6 7 8 9 Rys. 8. Zależności mocy średniej (a) oraz energii w impulsie (b) od mocy diody pompującej Energia impulsu [uj],9 9,8 8,7 7,6 6,,,,, 6 7 8 9 6 7 8 9 Moc pojedynczego impulsu [kw] Rys. 9. Zależności mocy szczytowej w impulsie (a) oraz czasu trwania impulsu (b) od mocy diody pompującej Czas trwania impulsu [ns] Czêstotliwoœæ generacji [kh] y =,8x -,7 y =,x -,9 8 6 6 7 8 9 Rys.. Zależności częstotliwości impulsów od mocy diody pompującej
8 J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk Tabela Porównanie wyników generacyjnych badanych mikrolaserów z mikrolaserem Karlssona Badane mikrolasery Mikrolaser Karlssona Długość fali pompującej [nm] 99 97 97 Wielkość przewężenia wiązki pompującej [μm] 6 6 8 Sprawność różniczkowa [%] 6,-7, 9,8-,8,8-, Próg generacji [mw] -8 7-8-9 Energia w impulsie [uj] 7,7-,,-9,,7-7, 8-6 Moc impulsu [kw],-,7,-,6,-,9,6-, Czas trwania impulsu [ns],-,,-, 6,6-9,6 Częstotliwość generacji [khz],-,,9-,,-,66 - Jak widać z tabeli, dla pompowania długością fali 97 nm uzyskuje się znacznie większe sprawności oraz mniejsze progi, podczas gdy pozostałe parametry różnią się w niewielkim stopniu. Porównanie jakościowe parametrów generacyjnych dla różnych wielkości przewężenia wiązki pompującej przedstawiono w tabeli. Tabela Porównanie jakościowe parametrów generacyjnych dla różnych wielkości przewężenia wiązki pompującej Wielkość przewężenia duża mała Sprawność różniczkowa podobna podobna Próg generacji większy mniejsza Energia w impulsie większa mniejsza Moc impulsu większa mniejsza Czas trwania impulsu mniejszy większy Częstotliwość generacji mniejsza większa Z przeprowadzonych badań wynika, że jeżeli głównym celem w projektowaniu mikrolasera jest osiągnięcie jak największej mocy w impulsie, to należy maksymalnie zwiększyć przewężenie wiązki pompującej na tyle, aby było możliwe osiągnięcie progu generacji. Oczywiście osiągnięcie dużej mocy w impulsie odbywa się kosztem częstotliwości generacji.
Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O 9. Badanie charakterystyk generacyjnych w zależności od położenia ośrodka aktywnego względem przewężenia wiązki pompującej Badania zależności parametrów generacyjnych od położenia ośrodka aktywnego względem przewężenia wiązki pompującej wykonano dla średnicy przewężenia równej 6 μm i pompowaniu promieniowaniem o długości fali 97 nm. Przewężenie to znajdowało się w odległości mm od układu optycznego. Na rysunku przedstawiono zmianę mocy w impulsie oraz częstotliwości generacji w funkcji odległości ośrodka aktywnego od przewężenia wiązki pompującej. Dane pomiarowe aproksymowano wielomianem drugiego stopnia. Jak widać, maksymalną moc w impulsie oraz częstotliwość uzyskuje się w przypadku, gdy przewężenie znajduje się w środku ośrodka aktywnego. Czas trwania impulsu pozostawał bez zmian na poziomie przedstawionym w tabeli. Największą moc w impulsie, podobnie jak i w poprzednich badaniach, posiada mikrolaser nr. Œrednica wi¹zki pompuj¹cej [mm]; moc w impulsie [kw]; czêstotliwoœæ generacji [khz], œrednica wi¹zki pompuj¹cej mikrolaser nr czestotliwoœæ mikrolaser nr moc w impulsie, mikrolaser nr czêstotliwoœæ mikrolaser nr moc w impulsie, czêstotliwoœæ moc w impulsie czêstotliwoœæ, moc w impulsie, - -, - -,,,, Odleg³oœæ oœrodka aktywnego od przewê enia wi¹zki pompuj¹cej [mm] Rys.. Zależność mocy w impulsie oraz częstotliwości generacji od położenia ośrodka aktywnego względem przewężenia wiązki pompującej Takie same badania wykonano dla różnych mocy pompujących. Na rysunku przedstawiono zmianę mocy w impulsie oraz częstotliwości generacji mikrolasera nr dla dwóch różnych mocy pompujących. Jak widać, zmniejszenie mocy pompującej powoduje obniżenie częstotliwości i mocy w impulsie. Czas trwania impulsu pozostaje bez zmian.
J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk Œrednica wi¹zki pompuj¹cej [mm]; moc w impulsie [kw]; czêstotliwoœæ generacji [khz],,, œrednica wi¹zki pompuj¹cej czêstotliwoœæ generacji Pp = 8 mw moc w impulsie Pp = 8 mw czêstotliwoœæ generacji Pp = 67 mw moc w impulsie Pp = 67 mw - -, - -,,,, Odleg³oœæ oœrodka aktywnego od przewêzenia wi¹zki pompuj¹cej [mm] Rys.. Zależność mocy w impulsie oraz częstotliwości generacji od położenia ośrodka aktywnego względem przewężenia wiązki pompującej mikrolasera nr dla różnych mocy pompujących. Badanie widma generacji oraz rozbieżności wiązki laserowej Badania widma generacji badanych mikrolaserów impulsowych wykonano dla pompowania diodą laserową generującą promieniowanie 97 nm. W tym celu wykorzystano analizator widma optycznego (OSA) AQ69 firmy Yokogawa. Mikrolasery generowały na jednym modzie podłużnym o długości fali nm dla całego zakresu mocy pompujących (9-9 mw). Na rysunku przedstawiono widmo generacji dla mikrolasera nr w węższym zakresie dla mocy pompującej mw (a) oraz w szerszym zakresie dla mocy pompującej 9 mw (b). Jak widać z rysunku, wzrost mocy pompującej nie powoduje pojawiania się wielu pików dla pojedynczego modu podłużnego, co może wskazywać na generację Rys.. Widmo generacji dla mikrolasera nr dla mocy pompy mw (a) i 9 mw (b)
Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O w podstawowym modzie poprzecznym TEM. Potwierdza to również teoria mówiąca, że generacja impulsowa sprzyja powstawaniu tylko podstawowemu modu poprzecznemu. Do pomiaru rozkładu poprzecznego promieniowania w wiązce laserowej oraz rozbieżności zastosowano metodę nife-edge. W tabeli przedstawiono rozbieżność wiązki laserowej dla czterech mocy pompujących. Jak widać z tabeli, przy zmianie mocy pompującej rozbieżność wiązki pozostaje na podobnym poziomie. Rozbieżności wiązki laserowej dla różnych mocy pompujących Tabela Moc pompująca [mw] mw mw 67 mw mw Rozbieżność [mrad] 9 9, 6. Podsumowanie Z przeprowadzonych badań generacyjnych wynika, że mikrolasery powstałe w wyniku termicznego połączenia ośrodka aktywnego i nieliniowego absorbera charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami generacyjnymi. Uzyskiwana moc w impulsie do,7 kw jest wystarczająca do tego, aby taki mikrolaser zastosować jako nadajnik laserowy w dalmierzach laserowych średniego zasięgu. Biorąc pod uwagę sprawność oraz próg generacji, promieniowanie pompujące o długości fali 97 nm okazuje się być znacznie lepsze od promieniowania 99 nm. Ponadto bardzo duży wpływ na parametry generowanych impulsów ma wielkość przewężenia wiązki pompującej w ośrodku aktywnym. Dla większych przewężeń mikrolaser generuje większą moc w impulsie, jednakże odbywa się to kosztem częstotliwości generacji. Z badań wynika również, że największą moc w impulsie oraz częstotliwość generacji uzyskuje się, gdy przewężenie wiązki pompującej znajduje się w środku ośrodka aktywnego. Badane mikrolasery generowały na jednym modzie podłużnym oraz poprzecznym z rozbieżnością wiązki na poziomie 9- mrad w całym zakresie mocy pompującej. Artykuł wpłynął do redakcji..8 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w lipcu 8 r. LITERATURA [] S. Jiang, J. Myers, D. Rhonehouse, M. Myers, R. Belford, S. Hamlin, Laser and thermal performance of a new erbium doped phosphate glass, Ed. Kigre, Inc. Hilton Head Island, 99. [] Laser Rangefinders, JANE s Armour and Artillery Upgrades, Eleventh Edition, 998-999, Jane s Information Group Ltd., Couldson, Surrey UK, 998.
J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk [] Z. Mierczyk, Investigations of saturable absorbers for eye safe giant-pulse laser systems, Optics and Opto-electronics, Theory, Devices and Applications, Narosa Publishing House, New Delhi,, 998,. [] B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Materials and components for miniature diode-pumped. μm erbium glass lasers, Laser Physics,,,, 697. [] S. Jiang, J. Myers, D. Rhonehouse, M. Myers, R. Belford, S. Hamlin, Laser and thermal performance of new erbium doped phosphate laser glass, Proc. SPIE, 8, 99, 66. [6] G. Karlsson, F. Laurell, J. Tellefsen, B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping, Applied Physics B: Lasers and Optics, 7,,. [7] S. Jiang, J. Myers, R. Wu, G. M. Bishop, D. Rhonehouse, M. Myers, S. Hamlin, Chemically strengthened Er +, Nd + doped phosphate laser glasses, Proc. SPIE, 79, 99, 7. [8] B. Denker, B.Galagan, E. Godovikova, M. Meilman, V. Osiko, S. Sverchkov, The efficient saturable absorber for. μm Er Glass Lasers, OSA TOPS on Advanced Solid-State Lasers, 6, 999, 68. [9] V. P. Mikhailov, K. V. Yumashev, I. A. Denisov, P. V. Prokoshin, N. N. Posnov, D. Vivien, R. Moncorge, E. Ferrand, Y. Guyot, Passive Q-switch performance at. μm (. μm) and nonlinear spectroscopy of Co + :MgAl O and Co + :MgAl O 9 crystals, OSA TOPS on Advanced Solid-State Lasers, 6, 999, 7. [] R. Wu, J. Myers, M. Myers, B. Denker, B. Galagan, S. Sverchkov, J. Hutchinson, W. Trussel, Co + :MgAl O crystal passive Qswitch performance at.,. and. μm, Photonics West, LASE 99, SPIE Proceedings,. [] R. Wu, T. Chen, J. Myers, M. Myers, C. Hardy, Multi-pulses behaviour in a erbium glass laser Q-switched by cobalt spinel, AeroSense, SPIE, 86, Laser Radar Technology and Applications VIII, Orlando, Florida,. J. MŁYŃCZAK, K. KOPCZYŃSKI, Z. MIERCZYK Generation investigations of Glass:Er +,Yb + /Co + :MgAl O microchip lasers Abstract. The paper presents the results of investigations of pulse generation in microchip lasers generating.-μm radiation. The microchip lasers were made of the SELG glass (Strong Erbium Laser Glass) and the Co+:MgAlO saturable absorber by thermal bounding technique. Generation examinations were carried out for pumping by 97-nm and 99-nm laser diodes. Investigations of the influence of the pumped area cross section on the generation parameters were done. The divergence of the generated laser beam was evaluated and the measurements of the generated spectrum were made. Keywords: erbium glasses, saturable absorbers, microchip lasers Universal Decimal Classification: 6.7.86