Ибрагимова Яна.
По материалам P.Burdack et al. OPTICS EXPRESS Vol. 14, No. 10, p 4363 (2006)
Активная среда монолитного непланарного кольцевого лазера (NPRO, Non-Planar Ring Oscillator) представляет собой сложную призму, конструкция которой обеспечивает за счет полного внутреннего отражения от граней моноблока существование внутри него замкнутого оптического контура. Твердотельные монолитные лазеры с диодной накачкой по сравнению с традиционными кольцевыми лазерами обладают рядом преимуществ. Механическая жесткость конструкции таких лазеров исключает разъюстировку резонатора, вследствие этого появляется возможность повысить стабильность всех режимов генерации, и в случае необходимости получить одномодовое одночастотное излучение с высокой амплитудной и частотной стабильностью.
Для таких лазеров характерны высокая стабильность излучения, малые габариты лазера, высокий КПД, отсутствие высокого напряжения и водяного охлаждения, а также относительная простота термостабилизации всего лазера. Однако следует отметить, что монолитность кольцевого лазера не позволяет вносить в резонатор невзаимные и управляющие элементы, тем самым управление режимами генерации таких лазеров затруднено.
В NPRO лазере, использующем активную среду Yb:YAG используется монолитный кристалле с двойной диффузионной связью с размерами 7 мм × 4 мм× 2 мм. Первый сегмент кристалла изготовлен из нелегированного YAG, чтобы избежать эффектов подгорания на поверхности, которое мешает работе лазера в стабильном основном режиме при высоких уровнях мощности накачки (2–3 Вт). Передняя поверхность имеет диэлектрическое покрытие для высокого пропускания на длине волны накачки 940 нм. Второй кристаллический сегмент - активная среда усиления Yb: YAG для лазерного процесса с концентрацией легирования 5,0%. Третья кристаллическая часть снова является нелегированной YAG и используется в качестве полного внутреннего отражателя для реализации неплоской траектории луча. Из-за угла наклона луча 45 ° внутри композитного кристалла кольцевой лазер устойчив к небольшим изменениям геометрии, вызванным производственным процессом.
Кристаллы алюмо-иттриевого граната, легированные иттербием, (Yb:YAG) – один из наиболее перспективных материалов, который намного лучше подходит для диодной накачки, чем кристаллы, легированные неодимом (Nd). По сравнению с наиболее популярными Nd:YAG кристаллами, кристаллы Yb:YAG обладают более широкой полосой поглощения, что снижает требования к системам терморегуляции, более длительным временем жизни, и в 3-4 раза меньшей тепловой нагрузкой. Yb:YAG кристаллы генерируют излучение с длиной волны 1030 нм и представляют собой отличную замену для Nd:YAG кристаллов (1064 нм), вторая гармоника излучения Yb:YAG лазеров (515 нм) может служить альтернативой лазерам на ионах аргона (514 нм).
При классической схеме накачки Yb-лазер представляет собой квази-трехуровневую систему, и для достижения прозрачности материала усиления необходимо накачать не менее 5,5% всех ионов Yb на верхний лазерный уровень, в то время как минимальная интенсивность накачки прозрачности практически равна нулю для Nd: YAG. Следовательно, для Yb-генераторов требуются высокие плотности мощности накачки, чтобы преодолеть оптические потери и достичь лазерного порога. В Yb: YAG NPRO используется специальную конструкцию лазерного кристалла, можно добиться эффективной работы лазера при комнатной температуре с выходной мощностью 1 Вт при 1,03 мкм, что позволяет генерировать достаточную вторую гармонику для стабилизации частоты лазера. Также это повышает мощность, лазерный порог и качество луча.
Для продольной накачки Yb: YAG лазеров обычно используются InGaAs/ GaAs лазер, хотя может использоваться и накачка лазером на титан-сапфире. Оптический КПД лазера оказывается достаточно высоким (около 60%) вследствие высокой квантовой эффективности. Средняя выходная мощность, которую можно получить на таком лазере, составляет порядка 50 Вт. По сравнению с неодимовым лазером, Yb:YAG лазер обладает следующими преимуществами:
- Очень маленькое значение квантового дефекта [(hp - hv)/hvp = 9%] и, как следствие, очень низкий локальный нагрев, однако может встать проблема построения резонатора при продольной накачке, глухое зеркало должно иметь высокое отражение на длине волны излучения, а длина волны накачки близка к ней. Таким образом, следует использовать дорогие сложные диэлектрические покрытия.
- Большое излучательное время жизни верхнего состояния позволяет эффективно использовать среду Yb:YAG для работы в режиме модуляций добротности - т = 1,16 мс
- Большая спектральная ширина (~86 см-1) позволяет работать в режиме синхронизации мод, что позволяет получать на выходе лазера сверхкороткие импульсы света.
- Малое сечение вынужденного излучения позволяет накапливать значительное количество энергии до момента возникновения лазерной генерации.
- Более низкое значение шума по сравнению с Nd:YAG
На данный момент кольцевые лазеры имеют хорошие перспективы использование в лазерной гироскопии, при создании оптических стандартов частоты и высокостабильных источников излучения для спектроскопии и измерительной техники при проведении различных фундаментальных исследований. Твердотельные лазеры с когерентной накачкой лазерными диодами находят все большее практическое применение в качестве источников излучения в когерентных оптических линиях связи, лазерных радаров и лидаров, инерционных датчиков. Не менее перспективно использование их в таких областях науки и техники как прецизионные оптические измерения, метрология, лазерная гироскопия, голография, интерферометрия.