Генерация излучения в синей области спектра при нелинейно-оптическом преобразовании YAG:Nd-излучения на длине волны 1,34 мкм

Исследование и разработка твердотельных лазеров с длиной волны в сине-голубой области спектра представляют большой интерес для решения различных практических задач лазерной техники. Это связано с тем, что излучение с длиной волны около 450 нм попадает в минимум поглощения морской воды [6] и может эффективно использоваться для подводной лазерной локации, батиметрии и связи [1–2], а также когерентной накачки твердотельных лазеров на ионах празеодима Pr3+ для получения генерации в видимой области [8].

В настоящее время особый интерес представляют полностью твердотельные лазеры, которые позволяют реализовать генерацию синего излучения с высокой пиковой мощностью и малой длительностью отдельного импульса [3–5; 7], а также обладают достаточно высокой эффективностью, компактностью и надежностью. Применяется два основных метода для получения синего излучения: первый основан на методе генерации второй гармоники лазеров, работающих по квазитрехуровневой схеме, таких как Ti:Al2O3 [4] и Nd:GdVO4 [3]; вто-

рой заключается в генерации суммарной частоты, в том числе третьей гармоники, лазеров, работающих по четырехуровневой схеме [5–7]. Данный метод представляется более перспективным, поскольку квазитре-хуровневые лазеры менее эффективны, а в случае Ti:Al2O3 -лазера используется исключительно лазерная накачка (лазер на парах меди или вторая гармоника на длине волны 532 нм Nd:YAG-лазера).

В нашей работе представлены результаты генерации синего излучения при последовательном нелинейно-оптическом преобразовании YAG:Nd - лазерного излучения на длине волны неосновного перехода 1,34 мкм во вторую (0,67 мкм) и третью гармоники (0,446 мкм). Оптическая схема экспериментальной лазерной установки представлена на рис. 1. Установка состоит из трех основных элементов: задающего генератора, усилительного каскада и нелинейно-оптического преобразователя частоты. В задающем генераторе использовался активный YAG:Nd - элемент размером Ø6,3×100 мм, установленный в квантроне К-301 В. В схеме использовалась ламповая накачка активных элементов (энергия накачки на квантрон – до 60 Дж, длительность импульсов накачки – 250 мкс, частота следования импульсов – 2 Гц). Для исключения развития генерации на длине волны 1,064 мкм применили V – образную схему резонатора, используя плоское спектральноселективное зеркало 6 (коэффициент отражения на длине волны 1,34 мкм R₁₃₄> 99 %, коэффициент отражения на длин^, е волны

1,064 мкм R₁₀₆₄< 1 %). Коэффициент отражения выхо^,дного 5 и концевого 7 зеркал резонатора составил соответственно 50 % и 100 % на длине волны 1,34 мкм, длина резонатора – около 30 см. Для модуляции добротности использовали пассивный лазерный затвор (ПЛЗ) 4 на кристалле YAG:V размером Ø6,3х4 мм с начальным пропусканием 59 %. Усилительный каскад был составлен из двух YAG:Nd - активных элементов (АЭ) 2 и 3 размером Ø6,3×130 мм. Торцы активных элементов и ПЛЗ были просветлены на длине волны 1,064 мкм. Для исключения возможной завязки генерации, торцы активных элементов усилителей разводились друг относительно друга на угол около 1⁰ к оптической оси. Параметры накачки усилителей устанавливались аналогично параметрам задающего генератора. Система зеркал 8 – 12 с коэффициентами отражения R₁₃₄ > 99 % и R₁₀₆₄< 1 % обеспечивала двух^,проходную схе^, му усиления излучения. Нелинейно-оптический преобразователь состоял из двух последовательно установленных кристаллов. Для генерации второй гармоники на длине волны 0,67 мкм мы использовали кристалл LiNbO₃ размером 8х10х20 мм. Генерация суммарной частоты в синей спектральной области на длине волны 0,446 наблюдалась в кристалле DKDP диаметром ~ 20 мм и длиной 60 мм, торцы которого были срезаны под углом 18⁰ к оси для оптимального выполнения фазового синхронизма. Торцы нелинейных кристаллов не имели просветляющих покрытий.

Р и с . 1. Оптическая схема лазерной установки: 1, 2, 3 – YAG:Nd-активные элементы; 4 – ПЛЗ (T0=59 %); 5–7 – зеркала резонатора; 8–12 – система зеркал усилителя; 13 – LiNbO3, 14 – DKDP

Серия «Естественные и технические науки»

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

В нашей работе были исследованы параметры лазерной генерации на следующих длинах волн: накачки (1,34 мкм), второй гармоники (0,67 мкм) и суммарной частоты (0,446 мкм). Энергетические характеристики излучения регистрировались с помощью измерителя мощности и энергии Ophir. Временные параметры измерялись лавинным фотодиодом ЛФД-2А, подключенным к осциллографу Agilent 350 MGz.

Без использования дополнительных элементов излучение на выходе задающего генератора являлось близким к одномодовому и вертикально поляризованным. Порог генерации наблюдался при энергии накачки, близкой к 28 Дж. При изменении энергии накачки до 50 Дж генерировался один импульс длительностью около 20 нс с энергией до 16 мДж. При максимальной энергии накачки (60 Дж) излучались два импульса аналогичной длительности и периодом следования порядка 30 мкс. Энергия излучения при этом достигла 20 мДж. Для ее увеличения была использована двухпроходная схема усиления. При энергии накачки, равной 50 Дж, на выходе усилителя максимальное значение энергии импульса достигло 94 мДж, что соответствовало общему усилению на длине волны 1,34 мкм около 6. Зависимости энергии излучения на выходе генератора и усилителя от энергии накачки на квантрон представлены на рис. 2.

Излучение с выхода усилителя направлялось в нелинейный кристалл LiNbO3 для генерации второй гармоники на длине волны 0,67 мкм. С увеличением энергии накачки энергия красного излучения варьировалась от 8,5 до 20,5 мДж (рис. 3). Эффективность преобразования при этом оставалась практически постоянной и превышала 21 % (рис. 4). В результате нелинейного смешения излучений на длинах волн 1,34 и 0,67 мкм в кристалле DKDP генерация излучения сум- марной частоты наблюдалась в синей области спектра. Максимальное значение энергии излучения на длине волны 0,446 мкм составило почти 2 мДж (рис. 3), что соответствует пиковой мощности импульса 100 кВт. Зависимость энергетической эффективности преобразования от энергии излучения на длине волны 1,34 мкм представлена на рис. 4. Из графика видно, что по мере перехода в область насыщения наблюдается последовательный рост эффективности преобразования. При этом его максимальное значение являлось недостаточно высоким (около 2 %). Это связано с существенным различием интенсивностей импульсов складываемых излучений основной и второй гармоник на длинах волн 1,34 и 0,67 мкм: 16,6 и 3,6 МВт/см2 соответственно. Следовательно, для повышения энергетических параметров излучения на длине волны 0,446 мкм необходимо повысить интенсивность красного излучения посредством дополнительной фокусировки излучения, а также повышения эффективности преобразования во вторую гармонику с помощью внутрирезонаторной схемы преобразования.

Р и с . 2 . Зависимость энергии излучения на длине волны 1,34 мкм от энергии накачки на квантрон: 1 – на выходе генератора, 2 – на выходе усилителя

Р и с . 3. Зависимость энергии излучения кратных гармоник от энергии накачки на квантрон

Таким образом, нами были проведены исследования генерации в синей области спектра при последовательном нелинейно-оптическом преобразовании YAG:Nd-лазерного излучения на длине волны, рав-

Серия «Естественные и технические науки»

0    20   40   60   80   100   W 1.34 , мДж

Р и с . 4. Зависимость эффективности преобразования во вторую и третью гармоники от энергии импульса на длине волны 1,34 мкм ной 1,34 мкм. В ходе исследований было установлено, что энергия излучения на длине волны 0,446 мкм достигает 2 мДж при длительности импульса 20 нс и эффективности преобразования 2 %.