pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2021-12-2-91-97pimi-707Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsЭрбиевый лазер, излучающий в области 1.5 мкм, с высокой выходной мощностьюHigh Power Diode-Pumped Erbium Laser Emitting at Near 1.5 μmГорбаченяК. Н.GorbachenyaK. N.

Адрес для переписки: Горбаченя К.Н. – 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, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

gorby@bntu.byЯсюкевичА. С.YasukevichA. S.

Центр оптических материалов и технологий 

пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

gorby@bntu.byКопорулинаЕ. В.KoporulinaE. V.

Ленинские горы, 1, г. Москва 119991

Leninskie Gory, 1, Moscow 119991

gorby@bntu.byВолковаЕ. А.VolkovaE. A.

Ленинские горы, 1, г. Москва 119991

Leninskie Gory, 1, Moscow 119991

gorby@bntu.byМальцевВ. В.MaltsevV. V.

Ленинские горы, 1, г. Москва 119991

Leninskie Gory, 1, Moscow 119991

gorby@bntu.byЛеонюкН. И.LeonyukN. I.

Ленинские горы, 1, г. Москва 119991

Leninskie Gory, 1, Moscow 119991

gorby@bntu.byКулешовН. В.KuleshovN. V.

Центр оптических материалов и технологий 

пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013

Center for Optical Materials and Technologies

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013

gorby@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2021250620211229197Copyright © Горбаченя К.Н., Кисель В.Э., Ясюкевич А.С., Копорулина Е.В., Волкова Е.А., Мальцев В.В., Леонюк Н.И., Кулешов Н.В., 20212021Горбаченя К.Н., Кисель В.Э., Ясюкевич А.С., Копорулина Е.В., Волкова Е.А., Мальцев В.В., Леонюк Н.И., Кулешов Н.В.Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Koporulina E.V., Volkova E.A., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., 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/707

Твердотельные лазеры, излучающие в спектральной области 1.5‒1.6 мкм, находят широкое применение в дальнометрии, офтальмотологии, волоконно-оптических системах и оптической локации. Целью данной работы являлось исследование спектроскопических и генерационных свойств активной среды на основе кристалла бората для указанных лазеров.

Проведено исследование спектроскопических и генерационных свойств кристаллов Er,Yb:YAl3(BO3)4 с различным содержанием ионов-активаторов. В результате определены спектры поперечных сечений поглощения и стимулированного испускания в поляризованном свете. Проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттебия на ионы эрбия. Максимальная эффективность переноса энергии достигала 97 % для кристалла Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4.

Реализована   лазерная   генерация   для   кристаллов   с   высоким   содержанием   ионов   эрбия до 4 ат.% (2.2∙1020 cм‒3). При использовании кристалла Er(2 at.%),Yb(11 at.%):YAl3 (BO3)4 получен непрерывный режим генерации с максимальной выходной мощностью до 1,6 Вт на длине волны 1522 нм при дифференциальной эффективности 32 %. В квазинепрерывном режиме генерации для кристалла Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4 максимальная пиковая мощность достигала 2,2 Вт при дифференциальной эффективности по поглощённой мощности накачки 40 %. Профиль распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка хорошо аппроксимировался функцией Гаусса рассчитанное значение параметра распространения лазерного пучка М2 не превышало 1,2, что соответствует ТЕМ00 моде резонатора.

На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что данные кристаллы являются перспективными активными средами, для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1.5‒1.6 мкм, для применения в составе систем лазерной дальнометрии, лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии и лидаров.

Solid-state lasers emitting in the 1.5–1.6 μm spectral range are very promising for eye-safe laser range finding, ophthalmology, fiber-optic communication systems, and optical location. The aim of this work is the investigation of spectrosposcopic and laser properties of gain medium based on borate crystal for abovementioned lasers.

Spectroscopic and laser properties of Er,Yb:YAl3(BO3)4 crystals with different concentrations of dopants were investigated. Polarized absorption and emission cross-section spectra were determined. The ytterbium- erbium energy transfer efficiency was estimated. The maximal energy transfer efficiency up to 97 % was obtained for Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4 crystal.

The laser operation of heavily doped crystals with erbium concentration up to 4 аt.% (2.2^1020 cm^3) was realized. By using of Er(2 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4 crystal a maximal continuous- wave (CW) output power of 1.6 W was obtained at 1522 nm with slope efficiency of 32 %. By using of Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4 crystal a maximal peak output power up to 2.2 W with slope efficiency of 40 % was realized in quasi-continuous-wave regime of operation. The spatial profile of the output beam was close to TEM00 mode with M2 < 1.2 during all laser experiments.

Based on the obtained results, it can be concluded that Er,Yb:YAl3(BO3)4 crystals are promising active media for lasers emitting in the spectral range of 1.5-1.6 pm for the usage in laser rangefinder and laser- induced breakdown spectroscopy systems, and LIDARs.

эрбийиттербийборатыдиодная накачканепрерывная лазерная генерацияerbiumytterbiumborate crystalsdiode-pumpedcontinuous-wave laser operationThis research was supported by Russian Science Foundation grant (project No. 19-12-00235).ReferencesTaccheo 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 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 Conference on Lasers and Electro-Optics, D. Scifres and A. Weiner, eds., (Optical Society of America, 1998), paper CTuM71.Tolstik N.A., Huber G., Maltsev V.V., Leo- nyuk N.I., Kuleshov N.V. Excited state absorption, energy levels, and thermal conductivity of Er3+:YAB. Appl. Phys. B, 2008, vol. 92, no. 4, pp. 567‒571. DOI: 10.1007/s00340-008-3101-8Tolstik N.A., Huber G., Maltsev V.V., Leo- nyuk N.I., Kuleshov N.V. Excited state absorption, energy levels, and thermal conductivity of Er3+:YAB. Appl. Phys. B, 2008, vol. 92, no. 4, pp. 567‒571. DOI: 10.1007/s00340-008-3101-8Denker B., Galagan B., Ivleva L., Osiko V., Sve- rchkov 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., Sve- rchkov 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/s00340-004-1605-4Diening A., Heumann E., Huber G., Kuzmin O. High-power diode-pumped Yb, Er:LSB laser at 1.56 μm in Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). Vol. 6 of 1998 OSA Technical Digest Series (Optical Society of Amerika, 1998), pp. 299‒300, paper CWM5.Diening A., Heumann E., Huber G., Kuzmin O. High-power diode-pumped Yb, Er:LSB laser at 1.56 μm in Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). Vol. 6 of 1998 OSA Technical Digest Series (Optical Society of Amerika, 1998), pp. 299‒300, paper CWM5.Burns P., Dawes J., Dekker P., Pipper J., Jiang H., Wang J. Optimization of Er,Yb:YCOB for cw laser operation. IEEE J. Quantum Electronics, 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 Electronics, 2004, vol. 40, no. 11, pp. 1575‒1582. DOI: 10.1109/JQE.2004.834935Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. High effi- cient continuous-wave diode-pumped Er,Yb:GdAl3(BO3)4 laser. Opt. Lett, 2013. vol. 38, pp. 2446‒2448. DOI: 10.1364/OL.38.002446Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. High effi- cient continuous-wave diode-pumped Er,Yb:GdAl3(BO3)4 laser. Opt. Lett, 2013. vol. 38, pp. 2446‒2448. DOI: 10.1364/OL.38.002446Chen Y., Lin Y., Gong X., Luo Z., Huang Y. Spectroscopic properties and laser performance of Er3+using Yb, Er-doped silico-boro-phosphat glass in and Yb3+ co-doped GdAl3 (BO3)4 crystal. IEEE J. Quantum Electronics, 2007, vol. 43, no. 10, pp. 950‒956. DOI: 10.1109/JQE.2007.904308Chen Y., Lin Y., Gong X., Luo Z., Huang Y. Spectroscopic properties and laser performance of Er3+using Yb, Er-doped silico-boro-phosphat glass in and Yb3+ co-doped GdAl3 (BO3)4 crystal. IEEE J. Quantum Electronics, 2007, vol. 43, no. 10, pp. 950‒956. DOI: 10.1109/JQE.2007.904308Chen Y., Lin Y., Huang J., Gong X., Luo Z., Huang Y. Spectroscopic and laser properties of Er3+:Yb3+:LuAl3(BO3)4 crystal at 1.5-1.6 цт. Opt. Express, 2010, vol. 18, no. 13, pp. 13700-13707. DOI: 10.1364/OE.18.01370013.Chen Y., Lin Y., Huang J., Gong X., Luo Z., Huang Y. Spectroscopic and laser properties of Er3+:Yb3+:LuAl3(BO3)4 crystal at 1.5-1.6 цт. Opt. Express, 2010, vol. 18, no. 13, pp. 13700-13707. DOI: 10.1364/OE.18.01370013.Tolstik N.A., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Pilipenko O.V., Koporu- lina E.V., Leonyuk N.I. Efficient 1 W continuous-wave diode-pumped Er,Yb:YAl(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2007, vol. 32, no. 22, pp. 3233-3235. DOI: 10.1364/OE.18.013700Tolstik N.A., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Maltsev V.V., Pilipenko O.V., Koporu- lina E.V., Leonyuk N.I. Efficient 1 W continuous-wave diode-pumped Er,Yb:YAl(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2007, vol. 32, no. 22, pp. 3233-3235. DOI: 10.1364/OE.18.013700Tolstik N.A., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Ku- leshov N.V., Maltsev V.V., Pilipenko O.V., Koporu- lina E.V., Leonyuk N.I. Efficient 1 W continuous-wave diode-pumped Er,Yb:YAl(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2007, vol. 32, no. 22, pp. 3233‒3235. DOI: 10.1364/OL.32.003233Tolstik N.A., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Ku- leshov N.V., Maltsev V.V., Pilipenko O.V., Koporu- lina E.V., Leonyuk N.I. Efficient 1 W continuous-wave diode-pumped Er,Yb:YAl(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2007, vol. 32, no. 22, pp. 3233‒3235. DOI: 10.1364/OL.32.003233Chen Y.J., Lin Y.F., Gong X.H., Luo Z.D., Huang Y.D. 1.1 W diode-pumped Er:Yb laser at 1520 nm. Opt. Lett., 2008, vol. 32, no. 18, pp. 2759‒2761. DOI: 10.1364/OL.32.002759Chen Y.J., Lin Y.F., Gong X.H., Luo Z.D., Huang Y.D. 1.1 W diode-pumped Er:Yb laser at 1520 nm. Opt. Lett., 2008, vol. 32, no. 18, pp. 2759‒2761. DOI: 10.1364/OL.32.002759Chen Y.J., Lin Y.F., Gong X.H., Tan Q.G., Luo Z.D., Huang Y.D. 2.0 W diode-pumped Er:Yb:YAl3(BO3)4 of (Er,Yb):YAl3(BO3)4 laser crystals. Crystallography Reports, 2008, vol. 53, pp. 336–338. DOI: 10.1134/S1063774508020260Chen Y.J., Lin Y.F., Gong X.H., Tan Q.G., Luo Z.D., Huang Y.D. 2.0 W diode-pumped Er:Yb:YAl3(BO3)4 of (Er,Yb):YAl3(BO3)4 laser crystals. Crystallography Reports, 2008, vol. 53, pp. 336–338. DOI: 10.1134/S1063774508020260Tolstik N.A., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Mal- tsev V.V., Leonyuk N.I. Er,Yb:YAl3(BO3)4 ‒ efficient 1.5 µm laser crystal. Appl. Phys. B, 2009, vol. 97, no. 2, pp. 357‒362. DOI: 10.1007/s00340-009-3694-6Tolstik N.A., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Mal- tsev V.V., Leonyuk N.I. Er,Yb:YAl3(BO3)4 ‒ efficient 1.5 µm laser crystal. Appl. Phys. B, 2009, vol. 97, no. 2, pp. 357‒362. DOI: 10.1007/s00340-009-3694-6Loiko P.A., Mateos X., Kuleshov N.V., Pav- lyuk A.A., Yumashev K.V., Petrov V., Griebner U., Aguiló M., Díaz F. Thermal-lens-driven effects in -cut Yb-and Tm-doped monoclinic KLu(WO4)2 crystals. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2014, vol. 50, pp. 1‒8. DOI: 10.1109/JQE.2014.2332496Loiko P.A., Mateos X., Kuleshov N.V., Pav- lyuk A.A., Yumashev K.V., Petrov V., Griebner U., Aguiló M., Díaz F. Thermal-lens-driven effects in -cut Yb-and Tm-doped monoclinic KLu(WO4)2 crystals. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2014, vol. 50, pp. 1‒8. DOI: 10.1109/JQE.2014.2332496

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