pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-4-301-307pimi-498Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsНепрерывный лазер на кристалле пентабората, соактивированного ионами эрбия и иттербияContinuous-wave Laser on Er,Yb-Codoped Pentaborate CrystalГорбаченяК. Н.GorbachenyaK. N.

Адрес для переписки: К.Н. Горбаченя - Центр оптических материалов и технологий, Белорусский национальный технический университет, пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013, Беларусь      e-mail: gorby @bntu.by

Address for correspondence: Gorbachenya K.N. – Center for Optical Materials and Technologies, Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus     e-mail: gorby@bntu.by

gorby@bntu.byКисельВ. Э.KiselV. E.

Центр оптических материалов и технологий

пр-т Независимости, 65, Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus

ДейнекаР. В.DeinekaR. V.

Центр оптических материалов и технологий

пр-т Независимости, 65, Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus

ЯсюкевичА. С.YasukevichA. S.

Центр оптических материалов и технологий

пр-т Независимости, 65, Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus

КулешовН. В.KuleshovN. V.

Центр оптических материалов и технологий

пр-т Независимости, 65, Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus

МальцевВ. В.MaltsevV. V.

Кафедра кристаллографии и кристаллохимии

Ленинские горы, 1, Москва 119991

Department of Crystallography and Crystal Chemistry

119992 GSP-2 Moscow

МитинаД. Д.MitinaD. D.

Кафедра кристаллографии и кристаллохимии

Ленинские горы, 1, Москва 119991

Department of Crystallography and Crystal Chemistry

119992 GSP-2 Moscow

ВолковаЕ. А.VolkovaE. A.

Кафедра кристаллографии и кристаллохимии

Ленинские горы, 1, Москва 119991

Department of Crystallography and Crystal Chemistry

119992 GSP-2 Moscow

ЛеонюкН. И.LeonyukN. I.

Кафедра кристаллографии и кристаллохимии

Ленинские горы, 1, Москва 119991

Department of Crystallography and Crystal Chemistry

119992 GSP-2 Moscow

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияMoscow State UniversityRussian Federation201912122019104301307Copyright © Горбаченя К.Н., Кисель В.Э., Дейнека Р.В., Ясюкевич А.С., Кулешов Н.В., Мальцев В.В., Митина Д.Д., Волкова Е.А., Леонюк Н.И., 20192019Горбаченя К.Н., Кисель В.Э., Дейнека Р.В., Ясюкевич А.С., Кулешов Н.В., Мальцев В.В., Митина Д.Д., Волкова Е.А., Леонюк Н.И.Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Deineka R.V., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Mitina D.D., Volkova E.A., Leonyuk N.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/498

Впервые сообщается о непрерывном лазере на кристалле Er,Yb:YMgB5O10 с диодной накачкой. Изучены условия синтеза кристаллов, спектры поглощения и люминесценции, кинетики затухания люминесценции. Определена эффективность переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия. Определены выходные характеристики (выходная мощность, дифференциальный КПД, длина волны генерации) лазера на основе кристалла Er3+,Yb3+:YMgB5O10.

В спектрах поглощения в области 1 мкм наблюдаются две интенсивные полосы поглощения с пиками на длинах волн 937 нм и 976 нм. Максимальное поперечное сечение поглощения достигает 1.5·10–20 cм2 на длине волны 976 нм для поляризации E//Ng. В спектре поглощения в спектральной области 1425–1575 нм наблюдается набор узких полос поглощения. Измеренное время жизни верхнего уровня 4I13/2  ионов Er3+ составило 390 ± 20 мкс. Эффективность переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия для кристалла Er(2 ат.%),Yb(11 ат.%):YMgB5O10 достигала 84 %. Максимальная выходная мощность лазерной генерации на длине волны 1570 нм составила 0,2 Вт при дифференциальном КПД 8 %.

Благодаря высокой теплопроводности (≈ 6.2 Вт·м–1·K–1) кристалла Er,Yb:YMgB5O10 , он может быть с успехом использован в качестве активной среды для лазеров дальномерных систем и ЛИДАРов.

We report, for the first time to our knowledge, a diode-pumped continuous-wave microchip Er,Yb:YMgB5O10 laser. The purpose of this work was to study the growth technique, spectroscopic properties and continuous-wave laser performance of Er3+,Yb3+:YMgB5O10 novel crystal.

 Absorption and luminescence spectra as well as kinetics of luminescence decay were studied. Ytterbium-erbium energy transfer efficiency was determined. The output characteristics (output power, slope efficiency, laser wavelength) of Er3+,Yb3+:YMgB5O10 laser were determined.

Two intensive absorption bands with peaks centered at 937 nm and 976 nm were observed in the absorption spectra at the wavelength near 1 μm. The maximum value of absorption cross-section was determined to be 1.5·10–20 cm2 at 976 nm for polarization E//Ng . A number of narrow lines were observed in the absorption spectra in the 1425–1575 nm spectral range (transition 4I15/2 → 4I13/2 of erbium ions). The lifetime of the upper laser level 4I13/2 of Er3+ ions was determined to be 390 ± 20 μs. The ytterbium-erbium energy transfer efficiency for YMgB5O10 crystal with 2 at.% of Er3+ and 11 at.% for Yb3+ was close to 84 %. The maximal continuous-wave output power of 0.2 W with slope efficiency of 8 % regarding to absorbed pump power was realized at the wavelength of 1570 nm. With the improvement of cavity parameters the output laser performance of the Er,Yb:YMgB5O10 crystal can be further enhanced.

Taking into account high thermal conductivity of ≈ 6.2 W·m–1·K–1, the Er,Yb:YMgB5O10 crystal can be considered as a good gain medium for 1.5 μm lasers for applications in laser rangefinder and LIDAR systems.

эрбийиттербийборатыспектроскопические исследованиядиодная накачканепрерывная лазерная генерацияerbiumytterbiumborate crystalsspectroscopydiode-pumpedcontinuous-wave laser operationThis research was supported by Russian Science Foundation grant (project No. 19-12-00235).ReferencesKarlsson G., Laurell F., Tellefsen J., Denker B., Galagan B., Osiko V., Sverchkov S. Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping. Appl. Phys. B., 2002, vol. 75, no. 1, pp. 41–46. DOI: 10.1007/s00340-002-0950-4Karlsson G., Laurell F., Tellefsen J., Denker B., Galagan B., Osiko V., Sverchkov S. Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping. Appl. Phys. B., 2002, vol. 75, no. 1, pp. 41–46. DOI: 10.1007/s00340-002-0950-4Taccheo S., Sorbello G., Laporta P., Karlsson G., Laurell F. 230-mW diode-pumped single-frequency Er,Yb laser at 1.5 μm. IEEE Photonics Technology Letters, 2001, vol. 13, no. 1, pp. 19–21. DOI: 10.1109/68.903207Taccheo S., Sorbello G., Laporta P., Karlsson G., Laurell F. 230-mW diode-pumped single-frequency Er,Yb laser at 1.5 μm. IEEE Photonics Technology Letters, 2001, vol. 13, no. 1, pp. 19–21. DOI: 10.1109/68.903207Danger T., Huber G., Denker B.I., Galagan B.I., Sverchkov S.E. Diode-pumped cw laser around 1.54 μm using Yb, Er-doped silico-boro-phosphat glass in Conference on Lasers and Electro-Optics, D. Scifres and A. Weiner, eds., Optical Society of America, 1998, paper CTuM71.Danger T., Huber G., Denker B.I., Galagan B.I., Sverchkov S.E. Diode-pumped cw laser around 1.54 μm using Yb, Er-doped silico-boro-phosphat glass in Conference on Lasers and Electro-Optics, D. Scifres and A. Weiner, eds., Optical Society of America, 1998, paper CTuM71.Burns P., Dawes J., Dekker P., Pipper J., Jiang H., Wang J. Optimization of Er,Yb:YCOB for cw laser operation. IEEE J. Quantum Electron., 2004, vol. 40, no. 11, pp. 1575–1582. DOI: 10.1109/JQE.2004.834935Burns P., Dawes J., Dekker P., Pipper J., Jiang H., Wang J. Optimization of Er,Yb:YCOB for cw laser operation. IEEE J. Quantum Electron., 2004, vol. 40, no. 11, pp. 1575–1582. DOI: 10.1109/JQE.2004.834935Huang J., Chen Y., Lin Y., Gong X., Luo Z., Huang Y. High efficient 1.56 μm laser operation of Czochralski grown Er,Yb:Sr3Y2(BO3)4 crystal. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 22, pp. 17243–17248. DOI: 10.1364/OE.16.017243Huang J., Chen Y., Lin Y., Gong X., Luo Z., Huang Y. High efficient 1.56 μm laser operation of Czochralski grown Er,Yb:Sr3Y2(BO3)4 crystal. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 22, pp. 17243–17248. DOI: 10.1364/OE.16.017243Chen Y., Lin Y., Huang J., Gong X., Luo Z., Huang Y. Enhanced performances of diode-pumped sapphire Er3+:Yb3+:LuAl (BO )sapphire microlaser at 1.5–1.6 μm. Opt. Express, 2015, vol. 23, no.9, pp. 12401–12406. DOI: 10.1364/OE.23.012401Chen Y., Lin Y., Huang J., Gong X., Luo Z., Huang Y. Enhanced performances of diode-pumped sapphire Er3+:Yb3+:LuAl (BO )sapphire microlaser at 1.5–1.6 μm. Opt. Express, 2015, vol. 23, no.9, pp. 12401–12406. DOI: 10.1364/OE.23.012401Gorbachenya K.N., Deineka R.V., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Shekhovtsov A.N., Kosmyna M.B., Kuleshov N.V. Er,Yb:Ca3RE2(BO3)4 (RE=Y, Gd) – Novel 1.5 µm Laser Crystals. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 1, pp. 14–22. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-1-14-22Gorbachenya K.N., Deineka R.V., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Shekhovtsov A.N., Kosmyna M.B., Kuleshov N.V. Er,Yb:Ca3RE2(BO3)4 (RE=Y, Gd) – Novel 1.5 µm Laser Crystals. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 1, pp. 14–22. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-1-14-22Kisel V.E., Gorbachenya K.N., Yasukevich A.S., Ivashko A.M., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Leonyuk N.I. Passively Q-switched microchip Er,Yb:YAl3(BO3)4 diode-pumped laser. Opt. Lett., 2012, vol. 37, no. 13, pp. 2745–2747. DOI: 10.1364/OL.37.002745Kisel V.E., Gorbachenya K.N., Yasukevich A.S., Ivashko A.M., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Leonyuk N.I. Passively Q-switched microchip Er,Yb:YAl3(BO3)4 diode-pumped laser. Opt. Lett., 2012, vol. 37, no. 13, pp. 2745–2747. DOI: 10.1364/OL.37.002745Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. Eye-safe 1.55 μm passively Q-switched Er,Yb:GdAl3(BO3)4 diodepumped laser. Opt. Lett., 2016, vol. 41, no. 5, pp. 918– 921. DOI: 10.1364/OL.41.000918Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. Eye-safe 1.55 μm passively Q-switched Er,Yb:GdAl3(BO3)4 diodepumped laser. Opt. Lett., 2016, vol. 41, no. 5, pp. 918– 921. DOI: 10.1364/OL.41.000918Mitina D.D., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Gorbachenya K.N., Deineka R.V., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V. Growth and characterization of RMgB5O10 (R=Y, La, Gd) crystals. Inorg.Mater., 2020, vol. 56, no. 2 (accepted). DOI: 10.1134/S0002337X2002013XMitina D.D., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Gorbachenya K.N., Deineka R.V., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V. Growth and characterization of RMgB5O10 (R=Y, La, Gd) crystals. Inorg.Mater., 2020, vol. 56, no. 2 (accepted). DOI: 10.1134/S0002337X2002013XSumida 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, no. 17, pp. 343−1345. DOI: 10.1364/OL.19.001343Sumida 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, no. 17, pp. 343−1345. DOI: 10.1364/OL.19.001343Denker B., Galagan B., Ivleva L., Osiko V., Sverchkov S., Voronina I., Hellstrom J.E., Karlsson G., Laurell F. Luminescent and laser properties of Yb,Er activated GdCa4O(BO3)3 a new crystal for eyesafe 1.5 micrometer lasers. Appl. Phys. B., 2004, vol. 79, no. 5, pp. 577−581. DOI: 10.1007/s00340-004-1605-4Denker B., Galagan B., Ivleva L., Osiko V., Sverchkov S., Voronina I., Hellstrom J.E., Karlsson G., Laurell F. Luminescent and laser properties of Yb,Er activated GdCa4O(BO3)3 a new crystal for eyesafe 1.5 micrometer lasers. Appl. Phys. B., 2004, vol. 79, no. 5, pp. 577−581. DOI: 10.1007/s00340-004-1605-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.