Высокомощный лазер на кристалле Yb³⁺:YAlO₃, работающий в режиме синхронизации мод на основе полупроводниковых зеркал с насыщающимся поглотителем

Кристаллы иттрий-алюминиевого перовскита YAlO₃ (YAP), легированные ионами редкоземельных элементов интенсивно изучались в качестве активных сред лазеров с диодной накачкой. Интерес к данным кристаллам обусловлен их высокими теплофизическими и механическими свойствами, высоким двулучепреломлением, возможностью роста по широко распространённому методу Чохральского. Целью данной работы было изучение кристалла Yb³⁺:YAlO₃  в качестве активной среды лазера  с высокой средней выходной мощностью, работающего в режиме синхронизации мод.

Кристаллы YAlO₃, легированные трёхвалентными ионами иттербия имеют уникальные спектроскопические и теплофизические свойства, что позволяет использовать данные кристаллы в качестве активных сред лазеров с высокой средней выходной мощностью и диодной накачкой, работающих в режимах непрерывной генерации и пассивной синхронизации мод.

В работе исследованы спектроскопические характеристики кристалла Yb:YAP, а также выходные характеристики лазеров на основе данного кристалла, работающих в режимах непрерывной генерации и пассивной синхронизации мод. Средняя выходная мощность 4 Вт с оптической эффективностью 16.3 % и длительностью импульса 140 фс получена для E//c-поляризации при пропускании выходного зеркала 10 %. Диапазон перестройки 67 нм подтверждает высокие перспективы использования кристалла Yb:YAP в качестве активной среды лазеров, работающих в широком спектральном диапазоне.

1. Ruifen Wu, Poh Boon Phua, Kin Seng Lai. Linearly Polarized 100-W Output From a Diode-Pumped Nd:YAlO Laser. Applied Optics, 2000, vol. 39, iss. 3, pp. 431−434. DOI: 10.1364/AO.39.000431

2. Zhu H.Y., Zhang G., Huang C.H., Wei Y., Duan Y.M., Chen W.D., Zhuang F.J. 6.2 W laser-diode end-pumped continuous-wave Nd:YAlO3 laser at 1.34 μm. Optics Communications, 2011, vol. 284, pp. 2985–2987. DOI: 10.1016/j.optcom.2011.01.080

3. Yiou S., Balembois F., Georges P., Brun A. Highpower continuous-wave diode-pumped Nd:YAlO3 laser that emits on low-gain 1378and 1385-nm transitions. Appled Optics, 2001, vol. 20, iss. 18, pp. 3019−3022. DOI: 10.1364/AO.40.003019

4. Fu X.H., Li Y.L., Tao Z.H., Zeng Y.H. Diode pumped CW Nd3+:YAlO3 laser at 1339 nm. Laser Physics, 2011, vol. 21, no. 5, pp. 877-879. DOI: 10.1134/S1054660X1109009X

5. Elder I.F., Payne M.J. YAP versus YAG as a diode-pumped host for thulium. Optics Communications, 1998, vol. 148, iss. 4−6, pp. 265–269. DOI: 10.1016/S0030-4018(97)00714-1

6. Li L.J., Yao B.Q., Wu D.Y., Wang J., Gang L., Wang Y.Z., Zhang Z.G. High Efficient Double EndPumped b-cut Tm,Ho:YAlO3 Laser. Laser Physics, 2011, vol. 21, no. 3, pp. 446–449. DOI:10.1134/S1054660X11050148

7. Li L.J., Yao B.Q., Qin J.P., Wu D.Y., Wang Y.M., Wang J., He Z.L., Liu W.Y., Chen J.J., Wang Y.Z., Zhang Z.G., Li A.H. High Power and Efficiency of a 2044nm c-cut Tm, Ho:YAlO3 Laser. Laser Physics, 2011, vol. 21, no. 3, pp. 489–492. DOI: 10.1134/S1054660X11050173

8. Fibrich M., Jelínková H., Šulc J., Nejezchleb K., Škoda V. Diode-pumped Pr:YAP lasers. Laser physics letters, 2011, vol. 8, p. 559–568. DOI: 10.1134/S1054660X11050173

9. Weber M.J., Bass M., Andringa K., Monchamp R.R., Comperchio E. Czochralski growth and properties of YAlO3 laser crystals. Applied Physics Letters, 1969, vol. 15, no. 10, p. 342. DOI: 10.1063/1.1652851

10. Aggarwal R.L., Ripin D.J., Ochoa J.R., Fan T.Y. Measurement of thermo-optic properties of Y3Al5O12, Lu3Al5O12, YAIO3, LiYF4, LiLuF4, BaY2F8, KGd(WO4)2, and KY(WO4)2 laser crystals in the 80–300 K temperature range. J. Appl. Phys., 2005, vol. 98, p. 103514. DOI: 10.1063/1.2128696

11. Petit Johan, Viana Bruno, Goldner Philippe, Roger Jean-Paul, Fournier Daniele. Thermomechanical properties of Yb3+ doped laser crystals: Experiments and modeling. J. Appl. Phys., 2010, vol. 108, p. 123108. DOI:10.1063/1.3520216

12. Lagatsky A.A., Abdolvand A., Kuleshov N.V. Passively Q switched and self-frequency Raman conversion in a diode-pumped Yb:KGd(WO4)2 laser. Optics Letters, 2000, vol. 25, no. 9, p. 616. DOI: 10.1364/OL.25.000616

13. Massey G.A. Criterion for selection of CW laser host materials to increase available power in the fundamental mode. Applied Physics Letters, 1970, vol. 17, no. 5, p. 213. DOI: 10.1063/1.1653370

14. Shen H.Y., Zhou Y.P., Lin W.X., Zeng Z.D., Zeng R.R., Yu G.F., Huang C.H., Jiang A.D., Jia S.Q., Shen D.Z. Second harmonic generation and sum frequency mixing of dual wavelength Nd:YAlO3 laser in flux grown KTiOPO4 crystal. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1992, vol. 28, iss. 1, p. 48-51. DOI: 10.1109/3.119494

15. Sugak D., Matkovskii A., Savitskii D., Durygin A., Suchocki A., Zhydachevskii Y., Solskii I., Stefaniuk I., Wallrafen F. Growth and Induced Color Centers in YAlO3-Nd Single Crystals. Phys. Status Solidi A, 2001, vol. 184, p. 239. DOI: 10.1002/1521-396X(200103)184:1<239::AIDPSSA239>3.0.CO;2-I

16. Kvapil J., Perner B., Manek B., Blazek K., Hendrich Z. Nonstoichiometric Defects in YAG and YAP. Cryst. Res. Technol., 1985, vol. 20, p. 473. DOI: 10.1002/crat.2170200410

17. Petit P.O., Petit J., Goldner Ph., Viana B. Colour centre-free perovskite single crystals. J. Lumin., 2009, vol. 129, p. 1586. DOI: 10.1016/j.jlumin.2009.04.056

18. Antonov V.A, Arsenev P.A., Linda I.G., Farshtendiker V.L. Studies of Some Point Defects in YA103 and GdAlO Single Crystals. Phys. Status Solidi A, 1973, vol. 15, p. K63. DOI: 10.1002/pssa.2210150158

19. Kovaleva N.S., Mochalov I.V. Formation of color centers in yttrium orthoaluminate crystals. J. Quantum Electron., 1978, vol. 8, no. 12, p. 1427. DOI: 10.1070/QE1978v008n12ABEH011380

20. Kvapil J., Kvapil, J., Kubelka, J., and Autrata, R. The Role of Iron Ions in YAG and YAP. Cryst. Res. Technol., 1983, vol. 18, pp. 127-131. DOI: 10.1002/crat.2170180120

21. Kuhn Henning, Fredrich-Thornton Susanne T., Krankel Christian, Peters Rigo, Petermann Klaus. Model for the calculation of radiation trapping and description of the pinhole method. Opt. Lett., 2007, vol. 32, pp. 1908-1910. DOI: 10.1364/OL.32.001908

22. Sumida D.S., Fan T.Y. Effect of radiation trapping on fluorescence lifetime and emission cross section measurements in solid-state laser media. Opt. Lett., 1994, vol. 19, pp. 1343-1345. DOI: 10.1364/OL.19.001343

23. Kisel V.E., Kurilchik S.V., Yasukevich A.S., Grigoriev S.V., Smirnova S.A., Kuleshov N.V. Spectroscopy and femtosecond laser performance of Yb3+:YAlO3 crystal. Opt. Lett., 2008, vol. 33, p. 2194. DOI: 10.1364/OL.33.002194

24. Yasyukevich A.S., Shcherbitskii V.G., Ki¬sel V.E., Mandrik A.V., Kuleshov N.V. Integral method of reciprocity in the spectroscopy of laser crystals with impurity centers. Journal of Applied Spectroscopy, 2004, vol. 71, no. 2, pp. 202-208. DOI: 10.1023/B:JAPS.0000032875.04400.a0

25. Alexander Rudenkov, Viktor Kisel, Anatol Yasu¬kevich, Karine Hovhannesyan, Ashot Petrosyan, Niko¬lay Kuleshov. Spectroscopy and continuous wave laser performance of Yb3+:LuAlO3 crystal. Opt. Lett., 2016, vol. 41, pp. 5805-5808 DOI: 10.1364/OL.41.005805

26. Alexander Rudenkov, Viktor Kisel, Anatol Yasu¬kevich, Karine Hovhannesyan, Ashot Petrosyan, Niko¬lay Kuleshov. Yb3+:LuAlO3 crystal as a gain medium for efficient broadband chirped pulse regenerative amplification, Opt. Lett., 2017, vol. 42, pp. 2415-2418. DOI: 10.1364/OL.42.002415

27. Rubtsova N.N., Borisov G.M., Ledovskikh D.V., Kovalyov A.A., Preobrazhenskii V.V., Putyato M.A., Semyagin B.R., Kisel’ V.E., Rudenkov A.S., Kule¬shov N.V., Pavlyuk A. A. Fast mirrors for femtosecond passive mode-locked near-infrared lasers. Laser Phys., 2016, vol. 26, p. 125001. DOI: 10.1088/1054-660X/26/12/125001