pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2020-11-4-264-271pimi-679Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsНепрерывные лазеры на кристалле Ho:KY(WO4)2и монокристаллическом слое Ho:KGdYbY(WO4)2 при резонансной накачкеIn-Band Pumped Continuous-Wave Lasers Based on Ho:KY(WO4)2 Crystal and Ho:KGdYbY(WO4)2 Epitaxial LayerДерновичО. П.DernovichO. P.

Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий

Адрес для переписки: О.П. Дернович – Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий, Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, г. Минск 220013, Беларусь e-mail: o.dernovich@bntu.by

Center for Optical Materials and Technologies

Address for correspondence: O.P. Dernovich – Center for Optical Materials and Technologies, Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus e-mail: o.dernovich@bntu.by

o.dernovich@bntu.byГусаковаН. В.GusakovаN. V.

Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий

пр. Независимости, 65, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

КисельВ. Э.KiselV. E.

Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий

пр. Независимости, 65, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

КравцовА. В.KravtsovA. V.ГурецкийС. А.GuretskyS. A.ПавлюкА. А.PavlyukA. A.КулешовН. В.KuleshovN. V.

Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий

пр. Независимости, 65, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюБеларусьScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusBelarusИнститут неорганической химии имени А.В. Николаева, Сибирское отделение Российской академии наукРоссияNikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation202017122020114264271Copyright © Дернович О.П., Гусакова Н.В., Кисель В.Э., Кравцов А.В., Гурецкий С.А., Павлюк А.А., Кулешов Н.В., 20202020Дернович О.П., Гусакова Н.В., Кисель В.Э., Кравцов А.В., Гурецкий С.А., Павлюк А.А., Кулешов Н.В.Dernovich O.P., Gusakovа N.V., Kisel V.E., Kravtsov A.V., Guretsky S.A., Pavlyuk A.A., Kuleshov N.V.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/679

Лазерные источники, излучающие в спектральной области около 2 мкм, востребованы для ряда практических применений, таких как экологический мониторинг окружающей среды, дистанционное зондирование Земли, медицина, обработка материалов, а также используются в качестве источников возбуждающего излучения параметрических генераторов света. Кристаллы двойных калиевых вольфраматов, активированные ионами редкоземельных элементов, показали себя перспективными материалами как для создания классических твердотельных, так и волноводных лазеров. Целью настоящей работы являлось создание перестраиваемого лазера накачки, излучающего в спектральной области 1,9 мкм, на основе активированных ионами тулия кристаллов двойных вольфраматов и исследование генерационных характеристик кристалла Ho:KY(WO4)2 и монокристаллического эпитаксиального слоя Ho:KGdYbY(WO4)2 при резонансной накачке в полосу поглощения 5I8 → 5I7 .

В лазере на основе кристалла Ho(1ат.%):KY(WO4)2 получена непрерывная низкопороговая генерация с выходной мощностью 85 мВт при дифференциальной эффективности 54 % на длине волны 2074 нм. Впервые реализована непрерывная генерация в волноводном режиме в монокристаллическом слое калиевого вольфрамата, активированного ионами гольмия, выращенного методом жидкофазной эпитаксии. Максимальная выходная мощность на длине волны 2055 нм составила 16,5 мВт.

2 μm lasers are in demand for a number of practical applications, such as environmental monitoring, remote sensing, medicine, material processing, and are also used as a pump sources for optical parametric generators. Crystals of double potassium tungstates doped with ions of rare-earth elements were shown to be promising materials both for  the  creation  of  classical  solid-state  lasers  and  waveguide  lasers. The aim of this work was to develop a tunable pump laser in the spectral region of 1.9 µm based on double tungstate crystals doped with thulium ions and to study the lasing characteristics of a Ho:KY(WO4)2 crystal and a Ho:KGdYbY(WO4)2 single-crystal epitaxial layer under in-band pumping.

With a Ho(1at.%):KY(WO4)2  crystal, continuous wave low-threshold lasing with an output power of 85 mW with a slope efficiency of 54 % at 2074 nm was achieved. For the first time to our knowledge, continuous wave laser  generation  in  a  waveguide  configuration  is  realized  in  a  single-crystal  layer of potassium tungstate doped with holmium ions grown by liquid-phase epitaxy. The maximum output power at a wavelength of 2055 nm was 16.5 mW.

ионы гольмияионы тулиякалий-редкоземельные вольфраматынепрерывный лазерэпитаксиальный монокристаллический слойholmiumthuliumpotassium rare-earth tungstatescontinues-wave laserepitaxial layerThis work was supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research grant (project No. F19M-075) and Ministry of Education of the Republic of Belarus (the State Research Program "Materials Science and Materials Technology" 8.1.10).ReferencesPetrov V., Cinta Pujol M., Mateos X., Silvestre O., Rivier S., Aguilo M., Sole R.M., Liu J., Griebner U., Diaz F. Growth and properties of KLu(WO4)2, and novel ytterbium and thulium lasers based on this monoclinic crystalline host. Laser & Photonics Reviews, 2007, vol. 1, no. 2, pp. 179‒212. DOI: 10.1002/lpor.200710010Petrov V., Cinta Pujol M., Mateos X., Silvestre O., Rivier S., Aguilo M., Sole R.M., Liu J., Griebner U., Diaz F. Growth and properties of KLu(WO4)2, and novel ytterbium and thulium lasers based on this monoclinic crystalline host. Laser & Photonics Reviews, 2007, vol. 1, no. 2, pp. 179‒212. DOI: 10.1002/lpor.200710010Kuleshov N.V., Lagatsky A.A., Podlipensky A.V., Mikhailov V.P., Huber G. Pulsed laser operation of Ybdoped KY(WO4)2 and KGd(WO4)2. Optics letters, 1997, vol. 22, no. 17, pp. 1317‒1319. DOI: 10.1364/OL.22.001317Kuleshov N.V., Lagatsky A.A., Podlipensky A.V., Mikhailov V.P., Huber G. Pulsed laser operation of Ybdoped KY(WO4)2 and KGd(WO4)2. Optics letters, 1997, vol. 22, no. 17, pp. 1317‒1319. DOI: 10.1364/OL.22.001317Silvestre O., Pujol M.C., Rico M., Güell F., Aguiló M., Díaz F. Thulium doped monoclinic KLu(WO4)2 single crystals: growth and spectroscopy. Applied Physics B, 2007, vol. 87, no. 4, pp. 707‒716. DOI: 10.1007/s00340-007-2664-0Silvestre O., Pujol M.C., Rico M., Güell F., Aguiló M., Díaz F. Thulium doped monoclinic KLu(WO4)2 single crystals: growth and spectroscopy. Applied Physics B, 2007, vol. 87, no. 4, pp. 707‒716. DOI: 10.1007/s00340-007-2664-0Batay L.E., Demidovich A.A., Kuzmin A.N., Titov A.N., Mond M., Kück S. Efficient tunable laser operation of diode-pumped Yb,Tm:KY(WO4)2 around 1.9 μm. Applied Physics B, 2002, vol. 75, pp. 457‒461. DOI: 10.1007/s00340-002-0998-1Batay L.E., Demidovich A.A., Kuzmin A.N., Titov A.N., Mond M., Kück S. Efficient tunable laser operation of diode-pumped Yb,Tm:KY(WO4)2 around 1.9 μm. Applied Physics B, 2002, vol. 75, pp. 457‒461. DOI: 10.1007/s00340-002-0998-1Mateos X., Jambunathan V., Pujol M.C., Carvajal J.J., Díaz F., Aguiló M., Griebner U., Petrov V. CW lasing of Ho in KLu(WO4)2 in-band pumped by a diode-pumped Tm:KLu(WO4)2 laser. Optics Express, 2010, vol. 18, no. 20, pp. 20793‒20798. DOI: 10.1364/OE.18.020793Mateos X., Jambunathan V., Pujol M.C., Carvajal J.J., Díaz F., Aguiló M., Griebner U., Petrov V. CW lasing of Ho in KLu(WO4)2 in-band pumped by a diode-pumped Tm:KLu(WO4)2 laser. Optics Express, 2010, vol. 18, no. 20, pp. 20793‒20798. DOI: 10.1364/OE.18.020793Jambunathan V., Mateos X., Loiko P.A., Serresa J.M., Griebner U., Petrov V., Yumashev K.V., Aguiló M., Díaza F. Growth, spectroscopy and laser operation of Ho:KY(WO4)2. Journal of Luminescence, 2016, vol. 179, pp. 50‒58. DOI: 10.1016/j.jlumin.2016.06.049Jambunathan V., Mateos X., Loiko P.A., Serresa J.M., Griebner U., Petrov V., Yumashev K.V., Aguiló M., Díaza F. Growth, spectroscopy and laser operation of Ho:KY(WO4)2. Journal of Luminescence, 2016, vol. 179, pp. 50‒58. DOI: 10.1016/j.jlumin.2016.06.049Jambunathan V., Mateos X., Pujol M.C., Carvajal J.J., Díaz F., Aguiló M., Griebner U., Petrov V. Continuous-wave laser generation at ~ 2.1 μm in Ho:KRE(WO4)2 (RE=Y, Gd, Lu) crystals: a comparative study. Optics Express, 2011, vol. 19, no. 25, pp. 25279‒25289. DOI: 10.1364/OE.19.025279Jambunathan V., Mateos X., Pujol M.C., Carvajal J.J., Díaz F., Aguiló M., Griebner U., Petrov V. Continuous-wave laser generation at ~ 2.1 μm in Ho:KRE(WO4)2 (RE=Y, Gd, Lu) crystals: a comparative study. Optics Express, 2011, vol. 19, no. 25, pp. 25279‒25289. DOI: 10.1364/OE.19.025279Mateos X., Loiko P., Lamrini S., Scholle K., Fuhrberg P., Vatnik S., Vedin I., Aguiló M., Díaz F., Griebner U., Petrov V. Power Scaling and ThermoOptics of Ho:KY(WO4)2 Thin-Disk Lasers: Effect of Ho3+ Concentration. Laser Congress 2017 (ASSL): OSA Technical Digest (online), 2017, p. AM3A.3. DOI: 10.1364/ASSL.2017.AM3A.3Mateos X., Loiko P., Lamrini S., Scholle K., Fuhrberg P., Vatnik S., Vedin I., Aguiló M., Díaz F., Griebner U., Petrov V. Power Scaling and ThermoOptics of Ho:KY(WO4)2 Thin-Disk Lasers: Effect of Ho3+ Concentration. Laser Congress 2017 (ASSL): OSA Technical Digest (online), 2017, p. AM3A.3. DOI: 10.1364/ASSL.2017.AM3A.3Cattoor R., Manek-Hönninger I., Rytz D., Canioni L., Eichhorn M. Laser action along and near the optic axis of a holmium-doped KY(WO4)2 crystal. Optics Letters, 2014, vol. 39, no. 22, pp. 6407‒6410. DOI: 10.1364/OL.39.006407Cattoor R., Manek-Hönninger I., Rytz D., Canioni L., Eichhorn M. Laser action along and near the optic axis of a holmium-doped KY(WO4)2 crystal. Optics Letters, 2014, vol. 39, no. 22, pp. 6407‒6410. DOI: 10.1364/OL.39.006407Romanyuk Y.E., Borca C., Pollnau M., Rivier S., Petrov V. Yb-doped KY(WO4)2 planar waveguide laser. Optics letters, 2006, vol. 31, no. 1, pp. 53‒55. DOI: 10.1364/OL.31.000053Romanyuk Y.E., Borca C., Pollnau M., Rivier S., Petrov V. Yb-doped KY(WO4)2 planar waveguide laser. Optics letters, 2006, vol. 31, no. 1, pp. 53‒55. DOI: 10.1364/OL.31.000053Van Dalfsen K., Aravazhi S., Grivas C., GarciaBlanco S.M.,Pollnau M.Thuliumchannelwaveguide laser with 1.6 W of output power and ~ 80 % slope efficiency Optics letters, 2014, vol. 39, no. 15, pp. 4380‒4383. DOI: 10.1364/OL.39.004380Van Dalfsen K., Aravazhi S., Grivas C., GarciaBlanco S.M.,Pollnau M.Thuliumchannelwaveguide laser with 1.6 W of output power and ~ 80 % slope efficiency Optics letters, 2014, vol. 39, no. 15, pp. 4380‒4383. DOI: 10.1364/OL.39.004380Kifle E., Loiko P., Romero C., Rodríguez Vázquez de Aldana J., Ródenas A., Zakharov V., Veniaminov A., Aguiló M., Díaz F., Griebner U., Petrov V., Mateos X. Femtosecond-laser-written Ho:KGd(WO4)2 waveguide laser at 2.1 μm. Optics letters, 2019, vol. 44, no. 7, pp. 1738‒1741. DOI: 10.1364/OL.44.001738Kifle E., Loiko P., Romero C., Rodríguez Vázquez de Aldana J., Ródenas A., Zakharov V., Veniaminov A., Aguiló M., Díaz F., Griebner U., Petrov V., Mateos X. Femtosecond-laser-written Ho:KGd(WO4)2 waveguide laser at 2.1 μm. Optics letters, 2019, vol. 44, no. 7, pp. 1738‒1741. DOI: 10.1364/OL.44.001738Savikin A.P., Perunin I.Yu., Krashkin S.V., Budruev A.V., Grishin I.A. Anti-Stokes Luminescence in LiYF4:Ho3+, Yb3+ at 1.93 µm. Optics and Spectroscopy, 2018, vol. 124, pp. 307‒309. DOI: 10.1134/S0030400X18030190Savikin A.P., Perunin I.Yu., Krashkin S.V., Budruev A.V., Grishin I.A. Anti-Stokes Luminescence in LiYF4:Ho3+, Yb3+ at 1.93 µm. Optics and Spectroscopy, 2018, vol. 124, pp. 307‒309. DOI: 10.1134/S0030400X18030190

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