Кристаллы Er,Yb:Ca3RE2(BO3)4 (RE=Y, Gd) – новые среды для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1,5 мкм

Поиск новых кристаллических матриц для применения в лазерах, излучающих в условно безопасном для глаз спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм, является актуальной задачей. Целью данной работы являлось изучение технологии роста, спектроскопических свойств и генерационных характеристик новых активных сред – кристаллов Er³⁺,Yb³⁺:Ca₂RE₂(BO₃)₄  (RE=Y, Gd).

В качестве исследуемых образцов использовались кристаллы кальций-иттриевого Er³⁺,Yb³⁺:Ca₃Y₂(BO₃)₄ (CYB) и кальций-гадолиниевого Er³⁺,Yb³⁺: Ca₂ Gd ₂(BO₃)₄  (CGB) оксоборатов, соактивированных ионами эрбия и иттербия. В результате определены спектры поперечных сечений поглощения и стимулированного испускания в поляризованном свете. Определены времена жизни энергетических уровней ⁴I_11/2 и ⁴I_13/2 иона эрбия, а также проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттебрия к ионам эрбия. Выполнен расчет спектров поперечных сечений усиления. Впервые с использованием кристаллов реализована лазерная генерация, изучены генерационные характеристики в квазинепрерывном режиме генерации.

В спектрах поглощения для обоих кристаллов наблюдается полоса с пиком на длине волны 976 нм, что согласуется с длиной волны испускания лазерных диодов, применяемых для накачки активных элементов с ионами Yb^{3+ .} Наибольшее значение поперечного сечения поглощения для обоих кристаллов составило 1,7×10^–20 см² для поляризации E // b на длине волны 976 нм. Время жизни верхнего лазерного уровня ⁴I_13/2 составило 580 ± 30 мкс и 550 ± 30 мкс для кристаллов Er,Yb:CYB и Er,Yb:CGB соответственно. Эффективность переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия составила 94 % для кристалла Er,Yb:CYB и 96 % для Er,Yb:CGB. Расчет спектра усиления для кристалла Er,Yb:CYB, показал что максимум полосы усиления находится на длине волны 1530 нм. Максимальное значение выходной мощности в квазинепрерывном режиме генерации составило 0,5 Вт при дифференциальной эффективности по поглощенной мощности накачки 13 % для кристалла Er,Yb:CYB, параметр распространения лазерного пучка М² не превышал 1,5.

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.

1. Myers M.J. LIBS system with compact fiber spectrometer, head mounted spectra display and hand held eye-safe erbium glass laser gun. Proc. SPIE, Bellingham, 2010, vol. 7578, pp. 7578−7582. DOI: 10.1117/12.841901

2. Hecht J. Lidar for self-driving cars. Optics and Photonics News, 2018, vol. 29, pp. 26−35.

3. 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.2004.834935

4. Tolstik Nikolai A., Kurilchik Sergey V., Kisel Victor E., Kuleshov Nikolay V., Maltsev Victor V., Pilipenko Oleg V., Koporulina Elizaveta V., Leonyuk Nikolai I. Efficient 1W continuous-wave diode-pumped Er,Yb:YAl(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2007, vol. 32, no. 22, pp. 3233−3235. DOI: 10.1364/OL.32.003233

5. Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. Highly efficient continuous-wave diode-pumped Er, Yb:GdAl3(BO3)4 laser. Opt. Lett., 2013, vol. 38(14), pp. 2446−2448. DOI: 10.1364/OL.38.002446

6. Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Kuleshov N.V. Eyesafe 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.41.000918

7. Yujin Chen, Yanfu Lin, Jianhua Huang, Xinghong Gong, Zundu Luo, Yidong Huang Spectroscopic and laser properties of Er3+, Yb3+:LuAl3(BO3)4 crystal at 1.5-1.6 μm. Opt. Express, 2010, vol. 18, no. 13, pp. 13700–13707. DOI: 10.1364/OE.18.013700

8. Maltsev V.V., Koporulina E.V., Leonyuk N.I., Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Kuleshov N.V. Crystal growth of CW diode-pumped (Er3+,Yb3+):GdAl3(BO3)4 laser material. Journal of Crystal Growth, 2014, vol. 401, pp. 807–812. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.11.100

9. Gudzenko L.V., Kosmyna M.B., Shekhovtsov A.N., Paszkowicz W., Sulich A., Domagała J.Z., Popov P.A., Skrobov S.A. Crystal growth and glass-like thermal conductivity of Ca3RE2(BO3)4 (RE-Y, Gd, Nd) single crystals. Crystals, 2017, vol. 7:88, 9 p. DOI: 10.3390/cryst7030088

10. Huang Jianhua, Chen Yujin, Lin Yanfu, Gong Xinghong, Luo Zundu, Huang Yidong High efficient 1.56 μm laser operation of Czochralski grown Er:Yb:Sr3Y2(BO3)4 crystal. Opt.Express, 2008, vol. 16, no. 22, pp. 17243−17248. DOI: 10.1364/OE.16.017243

11. 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, no. 17, pp. 1343−1345. DOI: 10.1364/OL.19.001343

12. Denker B., Galagan B., Ivleva L., Osiko V., Sverchkov S., Voronina I., Hellstrom J.E., Karlsson G., Laurell F. Luminescent and laser properties of Yb,Eractivated 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

13. Yasyukevich A.S., Shcherbitskii V.G., Kisel V.E., Mandrik A.V., Kuleshov N.V. Integral method of reciprocity in the spectroscopyof 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

14. Wei B., Zhang L.Z., Lin Z.B., Wang G.F. Optical transition probability of Er3+ ions in Er3+/Yb3+codoped Ca3Ln2(BO3)4 (Ln=Y, Gd, La) crystals. Materials Research Innovations 11, 2007, pp. 154−157. DOI: 10.1179/143307507X225605

15. Levoshkin A., Petrov A., Montagne J.E. Highefficiency diode-pumped Q-switched Yb:Er:glass laser. Optics Communications, 2000, vol. 185, no. 4−6, pp. 399−405. DOI: 10.1016/S0030-4018(00)01012-9

16. Laporta P., Taccheo S., Longhia S., Svelto O., Svelto C. Erbium-ytterbium microlasers: optical properties and lasing characteristics. Opt. Mater., 1999, vol. 11, no. 2−3, pp. 269−288. DOI: 10.1016/S0925-3467(98)00049-4

17. Tolstik N.A., Troshin A.E., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Matrosov V.N., Matrosov T.A., Kupchenko M.I. Spectroscopy, continuous-wave and Qswitched diode-pumped laser operation of Er3+,Yb3+:YVO4 crystal. Appl. Phys. B., 2007, vol. 86, no. 2, pp. 275−278. DOI: 10.1007/s00340-006-2427-3

18. Kuleshov N.V., Lagatsky A.A., Podlipensky A.V., Mikhailov V.P., Kornienko A.A., Dunina E.B., Hartung S., Huber G. Fluorescence dynamics, excited-state absorption, and stimulated emission of Er3+ in KY(WO4)2. Journal of the Optical Society of Amerika B, 1998, vol. 15, no. 3, pp. 1205−1212. DOI: 10.1364/JOSAB.15.001205