Er: Laser YAG ad alta potenza in banda a 1617 nm

Riassunto: Viene riportato un funzionamento a temperatura ambiente ad alta potenza di un laser Er: YAG a 1617 nm in banda pompato da un laser a fibra Er, Yb con rivestimento di mandata a 1532 nm. Il laser Er: YAG ha prodotto 31 W di uscita ad onda continua in un raggio con M2»2,2 per 72 W di potenza della pompa incidente. La potenza della pompa di soglia era 4,1 W e l'efficienza della pendenza rispetto alla potenza della pompa incidente era ~ 47%. Viene discussa l'influenza del livello di drogaggio di erbio e del design del risonatore sulle prestazioni del laser, e vengono considerate le prospettive di un ulteriore aumento della potenza di uscita e un miglioramento dell'efficienza del laser.

  2008 Optical Society of America

  Codici OCIS: (140.0140) Laser e ottica laser; (140.3070) Laser a infrarossi e infrarossi lontani; (140.3500) Laser, erbio; (140.3510) Laser, fibra; (140.3580) Laser, stato solido.

 1. Introduzione

  Sorgenti laser che operano nel regime di lunghezza d'onda degli occhiali da vista intorno a 1,5-1,6mm hanno numerose applicazioni tra cui il telerilevamento, le comunicazioni spaziali e spaziali. Il pompaggio diretto (in banda) di Er: YAG con un laser a fibra Er, Yb [1-6] o un laser a diodi [7-9] sta rapidamente emergendo come una delle vie più promettenti per questo regime di lunghezza d'onda grazie alla prospettiva di potenza di uscita media elevata in entrambe le modalità di funzionamento a onda continua (cw) e Q-switched. L'uso di un laser a pompa a base di fibre è particolarmente interessante poiché consente l'uso di cristalli Er: YAG con basse concentrazioni di ioni erbio per minimizzare l'impatto dannoso dell'up-transfer-up-conversion (ETU) sulle prestazioni laser [10] ed evita il necessità di raffreddamento criogenico per ottenere elevate efficienze di lasering [8]. Una delle principali attrazioni dell'approccio laser ibrido con fibra di massa è il riscaldamento a difetto quantico molto basso nel mezzo laser sfuso, che semplifica enormemente la scalabilità della potenza in una geometria laser che offre anche il potenziale per un'elevata energia dell'impulso in modalità Q-switched. Questo approccio è stato applicato con successo a laser drogati con Er e con drogaggio di tipo Ho operanti nei regimi di lunghezza d'onda ~ 1,6 e ~ 2,1 μm. In un recente lavoro, abbiamo dimostrato che i laser ibridi basati su Er: YAG con > 60 W di uscita cw [1] e con > 15 mJ di energia dell'impulso in modalità Q-switched su 4io13/2 ® 4io15/2

 transizione a 1645 nm [2,10]. Tuttavia, per alcune applicazioni di telerilevamento e distanza questa lunghezza d'onda operativa è un po 'scomoda, dal momento che ci sono alcune linee di assorbimento atmosferico dovute al metano che sono molto vicine e richiedono un'attenta selezione e controllo della lunghezza d'onda laser. Er: YAG ha anche una transizione tra le stesse varietà superiore e inferiore a 1617 nm (vedi Fig. 1), che si trova in una regione dello spettro in cui non ci sono linee di assorbimento atmosferico. Questa transizione beneficia di una sezione trasversale più elevata, ma presenta un carattere a tre livelli molto più pronunciato che richiede il ~ 14% degli ioni Er3 + da eccitare al collettore superiore per raggiungere la trasparenza rispetto a ~ 9% per la transizione a 1645 nm. Di conseguenza, la potenza della pompa di soglia per il funzionamento a 1617 nm è generalmente molto più alta rispetto a quella a 1645 nm e quindi le configurazioni standard del risonatore normalmente si riducono a 1645 nm. Il funzionamento di Er: YAG a 1617 nm è stato ottenuto impiegando componenti intracavitari di separazione della lunghezza d'onda aggiuntiva (ad esempio etalon) [5,6] per sopprimere la linea a 1645 nm o operando a temperature criogeniche dove la perdita di riassorbimento a 1617 nm è drammaticamente ridotto [8]. In entrambi i casi, le massime potenze medie segnalate fino ad oggi sono inferiori a < 6 W utilizzando la discriminazione lunghezza d'onda [6] e < 0,32 W per operazione quasi-cw a 78 K [8]. Qui, riportiamo i risultati di uno studio sperimentale sul funzionamento a 1617 nm di laser ibridi Er: YAG ad alte potenze della pompa e discutiamo di come vari fattori (tra cui il livello di drogaggio Er3 + e la progettazione della cavità) influenzano le prestazioni del laser. Sulla base dei risultati di questo studio e utilizzando una semplice strategia per il power scaling abbiamo dimostrato un laser Er: YAG, in-band pompato da un laser in fibra Er, Yb con rivestimento di facciata a 1532 nm, con 31 W di uscita cw a 1617 nm per 72 W di potenza della pompa incidente a temperatura ambiente. Per quanto a nostra conoscenza, questa è la potenza di uscita cw più elevata riportata ad oggi per un laser Er: YAG che opera sulla linea 1617 nm.

Fig. 1. Er: diagramma del livello di energia YAG che mostra le transizioni laser a 1617 nm e 1645 nm.

  2.Experiment

  La configurazione laser ibrida Er: YAG utilizzata nei nostri esperimenti è mostrata in Fig. 2. Il laser a pompa in fibra Er, Yb è stato costruito internamente [11] e comprendeva una lunghezza di ~ 2,5 m di fibra a doppio rivestimento con un 30mm diametro (0,22 NA) Er, nucleo fosfo-silicato drogato con Yb circondato da un 400mrivestimento interno in silice pura a forma di D di diametro. La fibra è stata rivestita con un rivestimento esterno polimerico fluorurato a basso indice di rifrazione (n = 1.375) dando un NA calcolato di 0.49 per la guida della pompa di rivestimento interno. Il funzionamento al picco di assorbimento in Er: YAG a 1532 nm è stato ottenuto con feedback selettivo della lunghezza d'onda fornito da una cavità esterna contenente un reticolo di diffrazione (600 linee / mm) nella configurazione Littrow. Una lente collimatrice a lunghezza focale relativamente lunga (120 mm) è stata utilizzata nella cavità esterna per garantire che la selettività spettrale del reticolo fosse sufficiente per ottenere una larghezza di banda laser più ridotta (~ 0,4 nm) rispetto alla larghezza di banda di assorbimento Er: YAG (~ 4 nm ). Il feedback per lasing all'estremità opposta della fibra è stato fornito dalla riflessione di Fresnel ~ 3,6% da una sfaccettatura perpendicolare. La luce della pompa è stata fornita da due moduli di pompa a diodi a nove barre combinati alla polarizzazione a 976 nm. Il raggio di uscita dai moduli combinati della pompa è stato suddiviso spazialmente in due fasci di potenza approssimativamente uguale utilizzando uno specchio con bordo a coltello che consente il pompaggio della fibra Er, Yb da entrambe le estremità. In questo modo, il carico di calore era distribuito più uniformemente lungo la fibra, riducendo la probabilità di danni indotti termicamente al rivestimento esterno del polimero. Usando questa disposizione la fibra Er, Yb ha prodotto una potenza di uscita massima di 120 W a 1532 nm in un fascio con M2 < 5 per ~ 440 W di potenza della pompa avviata. A questo livello di potenza, il laser a fibra era soggetto a danni, quindi, per garantire un funzionamento affidabile, il laser funzionava a livelli di potenza inferiori a 75 W.

  Per il laser Er: YAG è stato utilizzato un semplice risuonatore piegato a quattro specchi. Questo comprendeva un accoppiatore di ingresso della pompa piana con alta riflettività (> 99,8%) alla lunghezza d'onda laser (1600-1650 nm) e alta trasmissione (> 95%) alla lunghezza d'onda della pompa (1532 nm), due specchi concavi (R1 e R2) di raggio di curvatura di 100 mm con alta riflettività (> 99,8%) a entrambe le lunghezze d'onda laser e della pompa e un accoppiatore di uscita piano. Una gamma di accoppiatori di uscita con trasmissioni del 10%, 20%, 30% e 50% alla lunghezza d'onda laser erano disponibili per il nostro studio. Per studiare l'influenza della concentrazione di Er3 + sulle prestazioni, sono state impiegate tre aste Er: YAG con livelli di drogaggio di 0,25 a%, 0,5 a% e 1,0% con le rispettive lunghezze di 58 mm, 29 mm e 15 mm. Le lunghezze dei cristalli sono state selezionate in modo che tutti e tre i cristalli avessero approssimativamente la stessa efficienza di assorbimento della pompa a basse potenze della pompa (cioè in assenza di sbiancamento dello stato fondamentale). Quest'ultimo è stato misurato a circa il 98%, il che indica che il coefficiente di assorbimento in Er: YAG per un pompaggio di 1532 nm è ~ 260 m-1 / at.%. Entrambe le estremità delle aste Er: YAG erano rivestite antiriflesso per 1,5 a 1,7mm gamma di lunghezza d'onda che copre sia le lunghezze d'onda della pompa che di lasing.

Fig. 2. Schema schematico del risuonatore Er: YAG. IC: specchio dell'accoppiatore di input

(AR a 1532 nm e HR a 1600-1700 nm). OC: specchio dell'accoppiatore di uscita

 (Trasmissione (T) del 10%, 20%, 30% o 50% a 1600-1700 nm).

  Erano le aste Er: YAGmontato in un dissipatore di calore in alluminio raffreddato ad acqua mantenuto vicino alla temperatura ambiente a 17 ° C e posizionato nel punto centrale del braccio del risonatore definito dai due specchi curvi (R1 e R2). La lunghezza fisica di questo braccio del risuonatore era ~ 125 mm e la lunghezza fisica totale del risuonatore era ~ 365 mm risultante in un raggio di vita TEM00 di ~ 80mm. L'angolo di incidenza sugli specchi curvi è stato reso molto piccolo (< 10 °) per minimizzare l'astigmatismo. Il raggio della pompa dal laser a fibra Er, Yb è stato accoppiato nel risonatore tramite l'accoppiamento di ingresso del piano e quindi focalizzato su un raggio di 75 ~ 75mm nella barra Er: YAG con l'aiuto dello specchio curvo R1. Un etalon di silice fusa non rivestito di 100mm spessore è stato utilizzato per fornire la discriminazione della lunghezza d'onda (quando necessario) per garantire lasing sulla linea 1617 nm.

3. Risultati e discussioni

  Alla soglia per l'oscillazione del laser, il guadagno di andata e ritorno deve essere uguale alla perdita frazionale della cavità laser, quindi

sg N l = -[ceppo e (1 - T)+ ceppo e (1 - L)](1)

  dove σg è la sezione di guadagno, N è la concentrazione di drogaggio di ioni attivi, l è la lunghezza del mezzo di guadagno, T è la trasmissione dell'accoppiatore di uscita e L è la perdita di cavità di andata e ritorno (esclusa la perdita di accoppiamento di uscita) . La sezione trasversale del guadagno dipende dalle sezioni effettive di emissione e assorbimento (σe e σa) per la transizione e dalle densità di popolazione, N2 e N1, nel collettore superiore (4I13 / 2) e nel collettore inferiore (4I15 / 2). rispettivamente attraverso la relazione [4]:

sg = bse - (1- B)sun(2)

  dove il parametro di inversione β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N in assenza di conversione di energia-up-conversion. Per applicare il laser sulla linea 1617 nm è necessario configurare il risonatore in modo che la soglia per il funzionamento a 1617 nm sia inferiore rispetto a qualsiasi altra transizione laser da 4I13 / 2 a 4I15 / 2. Di solito, la linea a 1645 nm ha la soglia più bassa a causa del suo carattere a tre livelli più debole (cioè una sezione trasversale di assorbimento efficace inferiore), anche se la transizione a 1617 nm ha una sezione trasversale di emissione effettiva molto più elevata. Tuttavia, questo lascia aperte due opzioni per la selezione della lunghezza d'onda. Il primo e più ovvio approccio consiste nell'utilizzare la discriminazione di perdita (ad esempio un etalon di intracavità) per selezionare la linea 1617 nm. Il secondo, e forse l'approccio più semplice è quello di sfruttare il fatto che la sezione di guadagno, σg aumenta più rapidamente con il parametro di inversione, β per la linea 1617 nm che per la linea 1645 nm (vedi Fig. 3). Il risultato netto è che ad alte densità di inversione la sezione di guadagno a 1617 nm è più alta

Fig. 3. Sezioni di guadagno calcolate a 1617 nm e 1645 nm in funzione del parametro di inversione di popolazione.

che a 1645 nm. A temperatura ambiente (300 K), questo richiede almeno il 35% degli ioni Er3 + da eccitare al manifold 4I13 / 2. In pratica, ciò può essere ottenuto semplicemente aumentando la soglia utilizzando un accoppiatore di uscita della trasmissione molto più alto, senza la necessità di componenti aggiuntivi per la intracavità selettiva della lunghezza d'onda.

  Esperimenti preliminari sono stati condotti usando l'asta Er: YAG con livello di drogaggio 0,5 at.% E usando l'etalon intracavitario per selezionare l'operazione a 1617 nm. I risultati per la potenza di uscita del laser in funzione della potenza della pompa incidente per tre diverse trasmissioni di accoppiamento di uscita (10, 20 e 30%) sono mostrati in Fig. 4 (a). Inoltre, per confronto viene mostrata anche la potenza di uscita per il funzionamento a 1645 nm rispetto alla potenza della pompa (cioè senza l'etalon presente nella cavità). Si può vedere che la potenza del laser aumenta con la trasmissione dell'accoppiatore di uscita a 1617 nm. Tuttavia, le potenze di uscita a 1617 nm sono leggermente inferiori a 1645 nm. Inoltre, vi è un ribaltamento molto pronunciato della potenza di uscita a 1617 nm poiché la potenza della pompa viene aumentata oltre i 60 W, in contrasto con la situazione a 1645 nm. La Figura 4 (b) mostra le prestazioni a 1617 nm con una trasmissione dell'accoppiatore di uscita del 50%. In questo caso non è stato richiesto un etalon. La potenza della pompa di soglia era ~ 5,2 W e l'efficienza della pendenza rispetto alla potenza della pompa incidente era ~ 42% fino a una potenza della pompa di ~ 45 W. A potenza della pompa superiore la potenza di uscita si avvicina molto bruscamente raggiungendo una potenza di uscita massima di solo 16 W. Questo è considerevolmente inferiore rispetto allo stesso risonatore con trasmissioni con accoppiatore di uscita del 20% e del 30%. Attribuiamo il ribaltamento in potenza a 1617 nm a un carattere a tre livelli più pronunciato (cioè una maggiore perdita di riassorbimento) a causa di un aumento della temperatura dovuto a un aumento del carico termico ad alte potenze della pompa. La situazione è ulteriormente esacerbata dall'upconversion di trasferimento di energia che agisce per aumentare ulteriormente il carico di calore quando opera a densità di eccitazione elevate. Ciò è evidente dal più drammatico ribaltamento di potenza del laser con una trasmissione del 50% in uscita.

Fig. 4. Potenza in uscita rispetto alla potenza della pompa incidente per il laser Er: YAG con livello di drogaggio 0,5 at.%

(a) utilizzando accoppiatori di uscita con trasmissioni del 10%, 20% e 30%. (I simboli solidi rappresentano un'operazione a 1617 nm con un etalon e i simboli aperti rappresentano un'operazione a 1645 nm).

(b) Potenza di uscita a 1617 nm con trasmissioni con accoppiatore di uscita del 20%, 30% (con etalon) e 50% (senza etalon).

  Abbiamo ripetuto l'esperimento con aste Er: YAG con livelli di drogaggio di 0,25 in% e 1,0 at.% Utilizzando l'accoppiatore di uscita di trasmissione del 50%. La Figura 5 (a) mostra la potenza in uscita in funzione della potenza della pompa per i tre livelli di drogaggio utilizzati nel nostro studio. La densità di carico termico, e quindi l'aumento di temperatura nell'asta drogata allo 0,25% è almeno un fattore-di-due inferiore a quella dello stelo drogato allo 0,5% a causa della minore concentrazione di drogante e delle ridotte perdite di upconversion. Di conseguenza, non abbiamo osservato un ribaltamento della potenza di uscita fino alla potenza massima disponibile della pompa di 75 W. Al contrario, l'asta drogata con 1,0% ha una densità di carico termica molto più elevata e quindi un aumento della temperatura e, come previsto, il laser ha avuto risultati molto peggiori raggiungendo una potenza di uscita massima di soli 3 W. Questi risultati supportano la nostra affermazione che il ribaltamento in potenza è dovuto ad un aumento del comportamento a tre livelli dovuto al carico termico ed è esacerbato dall'upconversion di trasferimento di energia. Pertanto, l'uso di livelli di drogaggio Er3 + bassi in combinazione con una gestione termica efficace è fondamentale per il ridimensionamento della potenza nella transizione a 1617 nm nelle modalità di funzionamento ad onda continua e Q-switched.

Fig. 5. Er: potenza di uscita del laser YAG a 1617 nm rispetto alla potenza della pompa per

 (a) diversi livelli di drogaggio Er3 + utilizzando un accoppiatore di uscita con una trasmissione del 50%

e (b) un design ottimizzato della cavità usando uno 0,25 a. % di cristallo.

  La Figura 5 (b) mostra la potenza in uscita a 1617 nm rispetto alla potenza della pompa per un design ottimizzato del risonatore utilizzando la barra Er: YAG da 0,25 at.%. In questo caso, i due specchi con raggio di curvatura da 100 mm sono stati sostituiti da specchi con raggio di curvatura di 150 mm e la lunghezza del risonatore è stata regolata per fornire un raggio della vita del raggio calcolato di 100 più grandi di 100mm e quindi una migliore sovrapposizione spaziale con la regione pompata. La potenza della pompa di soglia era ~ 4,1 W e l'efficienza della pendenza rispetto alla potenza della pompa incidente era ~ 47%. Non c'è stato un ribaltamento della potenza in uscita fino alla massima potenza disponibile della pompa e il laser ha prodotto una potenza massima in uscita di 31 W a 1617 nm in un raggio con M2»2,2 per 72 W di potenza della pompa incidente.

4.Summary

  Il funzionamento dei laser Er: YAG pompati in banda ibridi a 1617 nm a livelli di potenza elevati in modalità a onda continua o in modalità Q-switched è molto più impegnativo rispetto a quello della più familiare linea a 1645 nm. I nostri risultati suggeriscono che il carico termico dovuto al riscaldamento del difetto quantico e al trasferimento di energia-up-conversion, e il conseguente aumento della temperatura e la perdita di riassorbimento di livello inferiore è la ragione principale. Concludiamo che l'uso di un basso livello di drogaggio Er3 + e una gestione termica efficace è vitale per il ridimensionamento energetico su questa transizione. Utilizzando questa semplice strategia di power scaling abbiamo dimostrato sul laser Er: YAG, pompato da un laser a fibra Er, Yb ad alta potenza a 1532 nm, con una potenza in uscita ad onda continua di 31 W a 1617 nm per 72 W di potenza della pompa incidente e con un'efficienza di pendenza corrispondente del 47%. Un ulteriore ridimensionamento della potenza di uscita e dell'estensione alla modalità operativa Q-switched potrebbe trarre beneficio dall'utilizzo di livelli di drogaggio di erbio ancora più bassi.

Ringraziamenti

  Questo lavoro è stato finanziato dal Centro di difesa della tecnologia di rilevamento remoto elettromagnetico (EMRS), istituito dal Ministero della Difesa britannico.