Krachtige in-band gepompte Er: YAG-laser bij 1617 nm

  Samenvatting: Krachtige werking bij kamertemperatuur van een Er: YAG-laser bij 1617 nm in-band gepompt door een mantel gepompte Er, Yb fiberlaser bij 1532 nm wordt vermeld. De Er: YAG-laser leverde 31 W aan continue-golfoutput in een bundel met M2»2,2 voor 72 W aan incidenteel pompvermogen. Het drempelvermogen van de pomp was 4,1 W en de hellingefficiëntie met betrekking tot het invallende pompvermogen was ~ 47%. De invloed van erbium-dopingniveau en resonatorontwerp op laserprestaties wordt besproken, en de vooruitzichten voor verdere toename van het uitgangsvermogen en verbetering van de laseringsefficiëntie worden beschouwd.

  2008 Optical Society of America

  OCIS-codes: (140.0140) Lasers en laseroptica; (140.3070) Infrarood- en ver-infraroodlasers; (140.3500) Lasers, erbium; (140.3510) Lasers, vezels; (140.3580) Lasers, vaste stof.

 1. Inleiding

  Laserbronnen die in het golflengtegolfsysteem van de oogluis werken rond 1,5-1,6mm hebben tal van toepassingen, waaronder teledetectie, bereikbaarheid en communicatie met vrije ruimte. Direct (in band) pompen van Er: YAG met een Er, Yb fiberlaser [1-6] of een diodelaser [7-9] komt snel naar voren als een van de meest veelbelovende routes naar dit golflengtebeheer vanwege het vooruitzicht van hooggemiddeld uitgangsvermogen in zowel continu-golf (cw) als Q-switched werkingsmodi. Het gebruik van een vezel-gebaseerde pomplaser is bijzonder aantrekkelijk omdat dit het gebruik van Er: YAG-kristallen met lage erbiumionenconcentraties mogelijk maakt om de nadelige effecten van energie-overdracht-opconversie (ETU) op de laserprestatie [10] te minimaliseren en vermijdt de behoefte aan cryogene koeling om hoge laseringsefficiënties te behalen [8]. Een van de hoofdattracties van de hybride glasvezel-bulklaserbenadering is een zeer lage kwantumdefectenverwarming in het bulklasermedium, wat de vermogensschaling in een lasergeometrie aanzienlijk vereenvoudigt, die ook de mogelijkheid biedt voor hoge pulsenergie in de Q-geschakelde modus. Deze benadering is met succes toegepast op de gedotopedeerde en de met Ho gedoteerde lasers die werken in de ~ 1,6 en ~ 2,1 μm golflengteregimes. In recent werk hebben we hybride lasers getoond op basis van Er: YAG met > 60 W aan cw-uitgang [1] en met > 15 mJ pulsenergie in Q-switched modus op de 4ik13/2 ® 4ik15/2

 overgang bij 1645 nm [2,10]. Voor sommige afstandswaarneming en bereikende toepassingen is deze werkgolflengte echter een beetje lastig, omdat er enkele atmosferische absorptielijnen zijn vanwege methaan die zich zeer dicht in de buurt bevinden hetgeen een zorgvuldige selectie en regeling van de lasergolflengte vereist. Er: YAG heeft ook een overgang tussen dezelfde bovenste en onderste spruitstukken bij 1617 nm (zie Fig. 1), die in een regio van het spectrum ligt waar er geen atmosferische absorptielijnen zijn. Deze overgang profiteert van een hogere emissiedwarsdoorsnede, maar heeft een veel meer uitgesproken drielevelig karakter, waarbij ~ 14% van de Er3 + -ionen moet worden geëxciteerd naar het bovenste spruitstuk om transparantie te bereiken in vergelijking met ~ 9% voor de 1645 nm overgang. Dientengevolge is het drempelvermogen van de pomp voor een werking van 1617 nm in het algemeen veel hoger dan voor een werking van 1645 nm en derhalve lassen de standaard resonatorconfiguraties gewoonlijk uit bij 1645 nm. De werking van Er: YAG bij 1617 nm is bereikt door ofwel gebruik te maken van aanvullende intraveneuze golflengtediscriminerende componenten (bijv. Etalons) [5,6] om de lijn te onderdrukken bij 1645 nm of door te werken bij cryogene temperaturen waarbij het resorptieverlies bij 1617 nm is drastisch verminderd [8]. In beide gevallen zijn de tot nu toe gemelde hoogste gemiddelde krachten onder < 6 W met onderscheid tussen golflengte [6] en < 0,32 W voor quasi-cw-werking bij 78 K [8]. Hier rapporteren we de resultaten van een experimenteel onderzoek naar 1617 nm-werking van hybride Er: YAG-lasers met hoge pompvermogens en bespreken hoe verschillende factoren (inclusief Er3 + -dopingniveau en holtebeeld) de laserprestaties beïnvloeden. Op basis van de resultaten van deze studie en met behulp van een eenvoudige strategie voor power scaling hebben we een Er: YAG laser laten zien, in-band gepompt door een mantel gepompte Er, Yb fiber laser op 1532 nm, met 31 W cw output op 1617 nm voor 72 W aan incidenteel pompvermogen bij kamertemperatuur. Voor zover ons bekend is dit het hoogste cw-uitgangsvermogen dat tot nu toe is gerapporteerd voor een Er: YAG-laser die op de 1617 nm-lijn werkt.

Fig. 1. Er: YAG energieniveau-diagram dat de laserovergangen bij 1617 nm en 1645 nm toont.

  2.Experiment

  De hybride Er: YAG-laserconfiguratie die in onze experimenten werd gebruikt, wordt getoond in Fig. 2. De Er, Yb fiberpump laser werd intern [11] gebouwd en omvatte een ~ 2,5 m lange dubbelwandige vezel met een 30mm diameter (0,22 NA) Er, Yb-gedoteerde fosfo-silicaat kern omringd door een 400mm diameter D-vormige pure silica binnenbekleding. De vezel werd gecoat met een buitenbekleding met een laag brekende brekingsindex (n = 1,375) fluorinated polymeer, hetgeen een berekende NA van 0,49 opleverde voor de binnenbekleding pompgeleiding. Werking bij de absorptiepiek in Er: YAG bij 1532 nm werd bereikt met een selectieve golflengtefeedback geleverd door een uitwendige holte die een diffractierooster (600 lijnen / mm) in de Littrow-configuratie bevatte. Een collimatorlens met een relatief lange focale lengte (120 mm) werd gebruikt in de uitwendige holte om te verzekeren dat de spectrale selectiviteit van het rooster voldoende was om een ​​kleinere lasbandbreedte (~ 0,4 nm) te bereiken dan de Er: YAG-absorptiebandbreedte (~ 4 nm) ). Feedback voor laserwerking aan het andere uiteinde van de vezel werd geleverd door de ~ 3,6% Fresnel-reflectie van een loodrecht gekloofd facet. Pomplicht werd geleverd door twee polarisatie-gecombineerde negen-bar diode pompmodules bij 976 nm. De uitgangsstraal van de gecombineerde pompmodules werd ruimtelijk verdeeld in twee bundels van ongeveer gelijke kracht met behulp van een spiegel aan de randen die het pompen van de Er, Yb-vezel van beide uiteinden mogelijk maakt. Op deze manier was de warmtebelasting gelijkmatiger verdeeld langs de vezel, waardoor de waarschijnlijkheid van thermisch geïnduceerde schade aan de buitenlaag van het polymeer werd verminderd. Gebruikmakend van deze opstelling gaf de Er, Yb-vezel een maximaal uitgangsvermogen van 120 W bij 1532 nm in een bundel met M2 < 5 voor ~ 440 W gelanceerd pompvermogen. Op dit vermogensniveau was de fiberlaser gevoelig voor beschadiging, zodat de laser op vermogensniveaus onder 75 W kon werken om een ​​betrouwbare werking te garanderen.

Een eenvoudige vierspiegel gevouwen resonator werd gebruikt voor de Er: YAG-laser. Dit omvatte een vlakke pompinvoerkoppeling met hoge reflectiviteit (> 99,8%) bij de lasergolflengte (1600-1650 nm) en hoge transmissie (> 95%) bij de pompgolflengte (1532 nm), twee concave spiegels (R1 en R2) met een kromtestraal van 100 mm met een hoge reflectiviteit (> 99,8%) bij zowel de laser- als de pompgolflengten en een vlakke uitgangskoppelaar. Een reeks uitvoerkoppelaars met transmissies van 10%, 20%, 30% en 50% bij de lasergolflengte was beschikbaar voor onze studie. Om de invloed van Er3 + -concentratie op de prestatie te onderzoeken, werden drie Er: YAG-staven met doteringsniveaus van 0,25 at.%, 0,5 at.% En 1,0 at.% En met respectievelijke lengten van 58 mm, 29 mm en 15 mm gebruikt. De kristallengten werden zodanig gekozen dat alle drie de kristallen bij benadering dezelfde efficiëntie van de absorptie van de pomp hadden bij lage pompvermogens (dat wil zeggen in de afwezigheid van verbleking in de grondtoestand). Dit laatste werd gemeten op ~ 98%, wat aangeeft dat de absorptiecoëfficiënt in Er: YAG voor 1532 nm pompen ~ 260 m-1 / at.% Is. Beide eindvlakken van de Er: YAG-staven waren antireflectie gecoat voor de 1,5 tot 1,7mm golflengtebereik voor zowel pomp- als lasergolflengten.

Fig. 2. Schematisch diagram van Er: YAG-resonator. IC: ingangskoppelingsspiegel

(AR bij 1532 nm en HR bij 1600-1700 nm). OC: uitgangskoppelingsspiegel

 (Transmissie (T) van 10%, 20%, 30% of 50% bij 1600-1700 nm).

  De Er: YAG-staven warengemonteerd in een watergekoelde aluminium warmteafvoer dichtbij kamertemperatuur gehouden op 17 oC en gepositioneerd op het middelpunt van de resonatorarm gedefinieerd door de twee gebogen spiegels (R1 en R2). De fysieke lengte van deze arm van de resonator was ~ 125 mm en de totale fysieke lengte van de resonator was ~ 365 mm, wat resulteerde in een berekende TEM00-middelradius van ~ 80mm. De invalshoek op de gebogen spiegels werd zeer klein gemaakt (<10 °) om astigmatisme te minimaliseren. De pompstraal van de Er, Yb fiberlaser werd via de vlakke ingangskoppelaar in de resonator gekoppeld en vervolgens gefocusseerd tot een middelradius van ~ 75mm in de Er: YAG staaf met behulp van gebogen spiegel R1. Een ongecoate fused silica etalon van 100mm dikte werd gebruikt om de golflengtediscriminatie (indien nodig) te verschaffen om te zorgen voor laserwerking op de 1617 nm-lijn.

3. Resultaten en discussie

  Bij een drempelwaarde voor laseroscillatie moet de round-trip-versterking gelijk zijn aan het fractionele verlies van de laserholte, vandaar

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

  waarbij o de versterkingsdoorsnede is, N de concentratie van de actieve ionendopering is, l de lengte is van het versterkingsmedium, T de transmissie van de uitgangskoppelaar is en L het verlies van de retourholte is (exclusief het verlies van de uitgangskoppeling) . De versterkingsdoorsnede is afhankelijk van de effectieve emissie- en absorptiedoorsneden (σe en σa) voor de overgang en van de populatiedichtheden, N2 en N1, in het bovenste spruitstuk (4I13 / 2) en het onderste spruitstuk (4I15 / 2) respectievelijk via de relatie [4]:

sg = bse - (1- b)seen(2)

  waarbij de inversieparameter β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N in afwezigheid van energie-overdracht-opconversie. Voor het afdwingen van laserwerking op de 1617 nm-lijn moet de resonator zodanig worden geconfigureerd dat de drempelwaarde voor 1617 nm-bewerking lager is dan voor een van de andere laserovergangen van 4I13 / 2 tot 4I15 / 2. Gewoonlijk heeft de 1645 nm-lijn de laagste drempel vanwege zijn zwakkere drielevelig karakter (dat wil zeggen, een lagere effectieve absorptiedwarsdoorsnede), hoewel de 1617 nm overgang een veel hogere effectieve emissiedwarsdoorsnede heeft. Dit laat echter twee opties open voor golflengteselectie. De eerste en meest voor de hand liggende benadering is om verliesdiscriminatie (bijvoorbeeld een intracaviteitetalon) te gebruiken om de 1617 nm-lijn te selecteren. De tweede, en misschien de meest eenvoudige benadering is om het feit te benutten dat de versterkingsdoorsnede, og sneller toeneemt met inversieparameter, β voor de 1617 nm-lijn dan voor de 1645 nm-lijn (zie figuur 3). Het netto resultaat is dat bij hoge inversiedichtheden de versterkingsdoorsnede bij 1617 nm hoger is

Fig. 3. Berekende versterkingsdoorsneden bij 1617 nm en 1645 nm als een functie van de populatie-inversieparameter.

dan bij 1645 nm. Bij kamertemperatuur (300 K) vereist dit dat ten minste 35% van de Er3 + -ionen wordt geëxciteerd met het 4I13 / 2-spruitstuk. In de praktijk kan dit worden bereikt door simpelweg de drempel te verhogen met behulp van een veel hogere overdrachtskoppelaar, zonder de noodzaak voor extra golflengte-selectieve intraholte componenten.

  Voorlopige experimenten werden uitgevoerd met behulp van de Er: YAG-staaf met 0,5 at.% Dopingniveau en gebruikmakend van de intraholte etalon om 1617 nm bewerking te selecteren. De resultaten voor laseruitgangsvermogen als een functie van het invallende pompvermogen voor drie verschillende uitgangskoppeltransmissies (10, 20 en 30%) worden getoond in figuur 4 (a). Ook wordt ter vergelijking het uitgangsvermogen voor een werking van 1645 nm versus pompvermogen (dat wil zeggen zonder het etalon dat aanwezig is in de holte) ook getoond. Er kan worden gezien dat het laservermogen toeneemt met de overdracht van de uitgangskoppeling bij 1617 nm. De uitgangsvermogens bij 1617 nm zijn echter iets lager dan bij 1645 nm. Bovendien is er een zeer uitgesproken roll-over in het uitgangsvermogen bij 1617 nm als het pompvermogen wordt verhoogd tot meer dan ~ 60 W in tegenstelling tot de situatie bij 1645 nm. Figuur 4 (b) toont de prestatie van 1617 nm met een overdracht van een uitgangskoppeling van 50%. In dit geval was een etalon niet vereist. Het drempelvermogen van de pomp was ~ 5,2 W en de hellingefficiëntie met betrekking tot het invallende pompvermogen was ~ 42% tot een pompvermogen van ~ 45 W. Bij hoger pompvermogen rolt het uitgangsvermogen zeer scherp over en bereikt een maximaal uitgangsvermogen van slechts 16 W. Dit is aanzienlijk lager dan voor dezelfde resonator met transmissies van 20% en 30% uitgangskoppelingen. We schrijven de doorrolkracht bij 1617 nm toe aan een meer uitgesproken karakter met drie niveaus (d.w.z. verhoogd heropnameresultaat) als gevolg van een stijging in temperatuur als gevolg van verhoogde thermische belasting bij hoge pompvermogens. De situatie wordt verder verergerd door energie-overdracht-opconversie die werkt om de warmtebelasting verder te verhogen bij gebruik bij hoge excitatiedichtheden. Dit is te zien aan de meer dramatische roll-over in vermogen voor de laser met een overdrachtskoppeling van 50%.

Fig. 4. Uitgangsvermogen versus incident pompvermogen voor Er: YAG laser met 0,5 at.% Dopingniveau

(a) gebruik van uitgangskoppelaars met transmissies van 10%, 20% en 30%. (De vaste symbolen vertegenwoordigen 1617 nm operatie met een etalon en de open symbolen vertegenwoordigen 1645 nm operatie).

(b) Uitgangsvermogen bij 1617 nm met transmissies van uitgangskoppelingen van 20%, 30% (met etalon) en 50% (zonder etalon).

  We herhaalden het experiment met Er: YAG-staven met 0,25 at.% En 1,0 at.% Dopingniveaus met behulp van de 50% verzendende uitgangskoppelaar. Figuur 5 (a) toont het uitgangsvermogen als een functie van het pompvermogen voor de drie dopingniveaus die in onze studie werden gebruikt. De thermische beladingsdichtheid en derhalve temperatuurstijging in de 0,25 at.% Gedoteerde staaf is ten minste een factor twee van twee lager dan voor de 0,5 at.% Gedoteerde staaf als gevolg van de lagere doteringsconcentratie en verminderde opconversieverliezen. Dientengevolge hebben we geen roll-over waargenomen in het uitgangsvermogen tot het maximaal beschikbare pompvermogen van 75 W. Daarentegen heeft de 1,0 at.% Gedoteerde staaf een veel hogere thermische ladingsdichtheid en dus temperatuurstijging en, zoals verwacht, de laser presteerde veel slechter en bereikte een maximaal uitgangsvermogen van slechts 3 W. Deze resultaten ondersteunen onze bewering dat de roll-over in vermogen te danken is aan een verhoogd gedrag op drie niveaus door thermische belasting en wordt verergerd door de omzetting van energie-overdracht-up. Het gebruik van lage Er3 + -doteerniveaus in combinatie met effectief thermisch beheer is dus cruciaal voor vermogensschaling op de 1617 nm overgang in continu-golf en Q-geschakelde werkingsmodi.

Afb. 5. Er: YAG-laseruitgangsvermogen bij 1617 nm versus pompvermogen voor

 (a) verschillende Er3 + -doteerniveaus met behulp van een uitgangskoppelaar met 50% transmissie

en (b) een geoptimaliseerd holtebeeld met een 0,25 at. % kristal.

  Figuur 5 (b) toont het uitgangsvermogen bij 1617 nm versus het pompvermogen voor een geoptimaliseerd ontwerp van de resonator met de 0,25 at.% Er: YAG-staaf. In dit geval werden de twee 100 mm radius-of-curvature spiegels vervangen door spiegels met 150 mm radius-van-kromming en de resonator lengte werd aangepast om een ​​grotere berekende TEM00 straalbundel radius van ~ 100 te gevenmm en dus een betere ruimtelijke overlapping met het gepompte gebied. Het drempelvermogen van de pomp was ~ 4,1 W en de hellingefficiëntie met betrekking tot het invallende pompvermogen was ~ 47%. Er was geen roll-over in uitgangsvermogen tot het maximaal beschikbare pompvermogen en de laser leverde een maximaal uitgangsvermogen van 31 W bij 1617 nm in een straal met M2»2,2 voor 72 W aan incidenteel pompvermogen.

4.Summary

  Werking van hybride in-band gepompte Er: YAG-lasers bij 1617 nm bij hoge vermogensniveaus in continu-golf of in Q-geschakelde werkingsmodi is veel uitdagender dan voor werking op de meer bekende 1645 nm-lijn. Onze resultaten suggereren dat thermische belasting als gevolg van verhitting met kwantumdefecten en energie-overdracht-opconversie, en de daarmee gepaard gaande toename in temperatuur en herabsorptieverlies op een lager niveau de belangrijkste reden is. We concluderen dat het gebruik van een laag Er3 + -dopingniveau en effectief thermisch beheer van vitaal belang is voor stroomschaling op deze overgang. Gebruik makend van deze eenvoudige power scaling strategie hebben we aangetoond op Er: YAG laser, gepompt door een krachtige Er, Yb fiber laser op 1532 nm, met een continu golf uitgangsvermogen van 31 W bij 1617 nm voor 72 W aan incidenteel pompvermogen en met een corresponderende hellingefficiëntie van 47%. Verdere schaalvergroting van het uitgangsvermogen en uitbreiding naar de Q-geschakelde werkingsmodus zou goed kunnen profiteren van het gebruik van nog lagere erbiumdoteringsniveaus.

Dankwoord

  Dit werk werd gefinancierd door het Electro-Magnetic Remote Sensing (EMRS) Defence Technology Center, opgericht door het Britse Ministerie van Defensie.