Компактный лазер на кристалле Yb3+:LuAlO3 с активной модуляцией добротности резонатора, излучающий на длине волны 999,6 нм для применения в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-2-119-127
Аннотация
Компактные лазеры с активной модуляцией добротности резонатора, построенные на материалах, легированных ионами Yb3+, представляют практический интерес для широкого ряда научных, промышленных и биомедицинских применений. Целью данной работы являлось исследование режима активной модуляции добротности резонатора лазера на кристалле Yb3+:LuAlO3.
Одними из наиболее перспективных матриц для легирования ионами редкоземельных элементов являются кристаллы алюминатов со структурой перовскита. Кристаллы иттриевого алюмината YAlO3 (YAP) широко известны в качестве матриц благодаря хорошим термомеханическим свойствам (теплопроводность нелегированного кристалла около 11 Вт/м·К и около 8 Вт/м·К для Yb(5 ат.%):YAP), близким к кристаллам YAG. Снижение теплопроводности лазерного кристалла при легировании по сравнению с чистой матрицей мало в случае незначительно отличающихся атомных масс и ионных радиусов как в случае с ионами Yb3+ и Lu3+. Данная особенность делает кристалл LuAlO3 (LuAP) значительно более перспективной матрицей для ионов Yb3+ по сравнению с YAP особенно в случае лазерных систем с высокой средней выходной мощностью.
Режим активной модуляции добротности лазера на кристалле Yb3+:LuAP исследован впервые в нашей работе. Максимальная средняя выходная мощность 4,9 Вт получена при частоте следования импульсов 50 кГц и оптической эффективности 21 % с применением выходного зеркала пропусканием 30 %. Выходная мощность 3,3 Вт, длительность импульса 11,5 нс получены при частоте следования импульсов 10 кГц, энергия импульса составила 333 мкДж, пиковая мощность 29 кВт. Импульсы энергией 97 мкДж при частоте следования 10 кГц получены на частоте второй гармоники с эффективностью преобразования 29 %.
Проведенные исследования показывают, что благодаря высокому поперечному сечению стимулированного излучения (≈ 3,74·10-20 см2 ) на длине волны 999,6 нм, а также существенному снижению тепловой нагрузку на активный элемент при накачке в области 980 нм и генерации в области 999 нм, кристаллы Yb3+:LuAP весьма перспективны в качестве активных элементов компактных твердотельных лазеров с диодной накачкой, работающих в режиме активной модуляции добротности. отельных лазеров с диодной накачкой, работающих в режиме активной модуляции добротности.
Об авторах
А. РуденковБеларусь
Центр оптических материалов и технологий
Адрес для переписки: Александр Руденков – Центр оптических материалов и технологий, Белорусский национальный технический университет, пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013, Беларусь. e-mail: a.rudenkov@bntu.by
В. Кисель
Беларусь
Центр оптических материалов и технологий
А. Ясюкевич
Беларусь
Центр оптических материалов и технологий
К. Ованесьян
Армения
А. Петросян
Армения
Н. Кулешов
Беларусь
Центр оптических материалов и технологий
Список литературы
1. Breitling D., Föhl C., Dausinger F., Kononenko T., Konov V. Drilling of metals. Femtosecond Technology for Technical and Medical Applications, ed. Dausinger F., Lichtner F., Lubatschowski H. Berlin, Springer, 2004, pp. 131–154. DOI: 10.1007/b96440
2. Russbueldt P., Mans T., Weitenberg J., Hoffmann H.D., Poprawe R. Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier. Opt. Lett., 2010, vol. 35, iss. 24, pp. 4169–4171. DOI: 10.1364/OL.35.004169
3. Eidam Tino, Hanf Stefan, Seise Enrico, Andersen Thomas V., Gabler Thomas, Wirth Christian, Schreiber Thomas, Limpert Jens, Tünnermann Andreas. Femtosecond fiber CPA system emitting 830 W average output power. Opt. Lett., 2010, vol. 35, pp. 94–96. DOI: 10.1364/OL.35.000094
4. Cremers D.A., Radziemski L.J. Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. John Wiley & Sons, New York, 2006.
5. Wang Chunyu, Zang Huaguo, Li Xiaoli, Lu Yutian, Zhu Xiaolei. LD-pumped high repetition rate Q-switched Nd:YVO4 laser by using La3 Ga5 SiO14 single crystal electro-optic modulator. Chin. Opt. Lett., 2006, vol. 4, iss. 6, pp. 329–331.
6. Pati B., Wall K.F., Moulton P.F. A DiodePumped Q-Switched Nd:YLF Laser Using a Prismatic Pump Cavity. Advanced Solid-State Photonics., ed. Zayhowski J. OSA Trends in Optics and Photonics, Optical Society of America, 2003, paper 432. DOI: 10.1364/ASSP.2003.432
7. Peng Xiaoyuan, Asundi Anand, Chen Yihong, Xiong Zhengjun. Study of the Mechanical Properties of Nd:YVO4 Crystal by use of Laser Interferometry and Finite-Element Analysis. Appl. Opt., 2001, vol. 40, pp. 1396–1403. DOI: 10.1364/AO.40.001396
8. Yan Xingpeng, Liu Qiang, Fu Xing, Chen Hailong, Wang Dongsheng, Gong Mali. Comparative investigation on performance of acousto-optically Q-switched dualrod Nd:YAG−Nd:YVO4 laser and dual-rod Nd:YVO4 − Nd:YVO4 laser. Appl. Opt., 2010, vol. 49, iss. 22, pp. 4131–4138. DOI: 10.1364/AO.49.004131
9. DeLoach L.D., Payne S.A., Chase L.L., Smith L.K., Kway W.L., Krupke W.F. Evaluation of absorption and emission properties of Yb3+doped crystals for laser applications. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1993, vol. 29, iss. 4, pp. 1179−1191. DOI: 10.1109/3.214504
10. Wu Ruifen, Phua Poh Boon, Lai Kin Seng. Linearly polarized 100-W output from a diode-pumped Nd:YAlO laser. Appl. Opt., 2000, vol. 39, iss. 3, pp. 431−434. DOI: 10.1364/AO.39.000431
11. 11. 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, iss. 12, pp. 2985–2987. DOI: 10.1016/j.optcom.2011.01.080
12. Yiou Sylvie, Balembois François, Georges Patrick, Brun Alain. High-power continuous-wave diodepumped Nd:YAlO3 laser that emits on low-gain 1378and 1385-nm transitions. Appl. Opt., 2001, vol. 40, iss. 18, pp. 3019–3022. DOI: 10.1364/AO.40.003019
13. 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, iss. 5, pp. 877–879. DOI: 10.1134/S1054660X1109009X
14. Elder I.F., Payne M.J.P. 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
15. 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, iss. 3, pp. 446–449. DOI: 10.1134/S1054660X11050148
16. 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 2044-nm c-cut Tm, Ho:YAlO3 Laser. Laser Physics, 2011, vol. 21, iss. 3, pp. 489–492. DOI: 10.1134/S1054660X11050173
17. Fibrich M., Jelínková H., Šulc J., Nejezchleb K., Škoda V. Diode-pumped Pr:YAP lasers. Laser physics letters, 2011, vol. 8, no. 8, pp. 559–568. DOI: 10.1002/lapl.201110025
18. 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, iss. 10, 342 p. DOI: 10.1016/S0022-0248(99)00661-2
19. Aggarwal R.L., Ripin D.J., Ochoa J.R., Fan T.Y. Measurement of thermo-optic properties of Y3 Al5 O12, Lu3 Al5 O12, YAIO3 , LiYF4 , LiLuF4 , BaY2 F8 , KGd(WO4 )2 , and KY(WO4 )2 laser crystals in the 80–300K temperature range. Journal of Applied Physics, 2005, vol. 98, iss. 10, pp. 103514. DOI: 10.1063/1.2128696
20. Kisel Viktor E., Kurilchik Sergey V., Yasukevich Anatol S., Grigoriev Sergey V., Smirnova Sofya A., Kuleshov Nikolay V. Spectroscopy and femtosecond laser performance of Yb3+:YAlO3 crystal. Opt. Lett., 2008, vol. 33, iss. 19, pp. 2194–2196. DOI: 10.1364/OL.33.002194
21. Klemens P.G. Thermal Resistance due to Point Defects at High Temperatures. Phys. Rev., 1960, vol. 119, iss. 2, pp. 507–509. DOI: 10.1103/PhysRev.119.507
22. Gaumé Romain, Viana Bruno, Vivien Daniel, Roger Jean-Paul, Fournier Danièle. A simple model for the prediction of thermal conductivity in pure and doped insulating crystals. Applied Physics Letters, 2003, vol. 83, iss. 7, pp. 1355–1357. DOI: 10.1063/1.1601676
23. Peters R., Kränkel C., Fredrich-Thornton S.T., Beil K., Petermann K., Huber G., Heckl O.H., Baer C.R.E., Saraceno C.J., Südmeyer T., Keller U. Thermal analysis and efficient high power continuous-wave and modelocked thin disk laser operation of Yb-doped sesquioxides. Appl. Phys. B, 2011, vol. 102, iss. 3, pp. 509–514. DOI: 10.1007/s00340-011-4428-0
24. Garton G., Wanklin B.M. The rare-earth aluminates. J. Crystal Growth, 1967, vol. 1, iss. 3, pp. 164–167. DOI: 10.1016/0022-0248(67)90028-0
25. Ivanov A.O., Morozova L.G., Mochalov I.V., Feofilov P.P. The luminescence of neodymium ions in single crystals of lutetium orthoaluminates. Optics and spectroscopy, 1975, vol. 38, iss. 2, pp. 405–407.
26. Shirvinskaya A.K., Popova V.F. The system of Lu2 O3 -Al2 O3 . Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1977, vol. 233, pp. 1110–1113.
27. Petrosyan A.G., Shirinyan G.O., Ovanesyan K.L., Kuzanyan A.S. Formation and properties of crystalline compounds in the Lu2 O3 -Al2 O3 system. Journal of Crystal Growth, 1981, vol. 52, part 2, pp. 556–560. DOI: 10.1016/0022-0248(81)90339-0
28. Petrosyan A.G., Popova V.F., Gusarov V.V., Shirinyan G.O., Pedrini C., Lecoq P. The Lu2 O3 – Al2 O3 system: Relationships for equilibrium-phase and supercooled states. Journal of Crystal Growth, 2006, vol. 293, iss. 1, pp. 74–77. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.05.017
29. Petrosyan A.G., Popova V., Ugolkov V.L., Romanov D.P., Ovanesyan K.L. A phase stability study in the Lu2 O3 -Al 2 O3 system. J. Crystal Growth, 2013, vol. 377, pp. 178–183. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.04.054
30. Petrosyan A.G. Crystal growth of laser oxides in the vertical Bridgman configuration. Journal of Crystal Growth, 1994, vol. 139, iss. 3–4, pp. 372–392. DOI: 10.1016/0022-0248(94)90190-2
31. Chernov A.A., Givargizov E.I., Bagdasarov Kh.S., Kuznetsov V.A., Dem’yanets L.N., Lobachev A.N. Modern Crystallography, ed. Vainshtain B.K. Nauka, Moscow, 1980; Springer-Verlag, Berlin, 1994. DOI: 10.1007/978-3-642-57254-8
32. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallogr A., 1976, vol. 32, pp. 751–767. DOI: 10.1107/S0567739476001551
33. 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, iss. 17, pp. 1343−1345. DOI: 10.1364/OL.19.001343
34. Kühn Henning, Fredrich-Thornton Susanne T., Kränkel Christian, Peters Rigo, Petermann Klaus. Model for the calculation of radiation trapping and description of the pinhole method. Opt. Lett., 2007, vol. 32, iss. 13, pp. 1908−1910. DOI: 10.1364/OL.32.001908
35. Boulon G., Guyot Y., Canibano H., Hraiech S., Yoshikawa A. Characterization and comparison of Yb3+doped YA1O3 perovskite crystals (Yb:YAP) with Yb3+doped Y3 Al5 O12 garnet crystals (Yb:YAG) for laser application. J. Opt. Soc. Am. B, 2008, 25, 884−896. DOI: 10.1364/JOSAB.25.000884
36. Kovalyov A.A., Preobrazhenskii V.V., Putyato M.A., Rubtsova N.N., Semyagin B.R., Kisel V.E., Ruden-kov A.S., Kuleshov N.V., Pavlyuk A.A. Efficient high-power femtosecond Yb3+:KY(WO4 )2 laser. Laser Phys. Lett., 2015, vol. 12, no. 7, pp. 075801. DOI: 10.1088/1612-2011/12/7/075801
37. Yasyukevich A.S., Shcherbitskii V.G., Kisel 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
38. Rudenkov Alexander, Kisel Viktor, Yasukevich Anatol, Hovhannesyan Karine, Petrosyan Ashot, Kuleshov Nikolai. Yb3+:CaYAlO4 -based chirped pulse regenerative amplifier. Opt. Lett., 2016, vol. 41, iss. 10, pp. 2249−2252. DOI: 10.1364/OL.41.002249
39. Rudenkov Alexander, Kisel Viktor, Yasukevich Anatol, Hovhannesyan Karine, Petrosyan Ashot, Kuleshov Nikolay. Yb3+:LuAlO3 crystal as a gain medium for efficient broad band chirped pulse regenerative amplification. Opt. Lett., 2017, vol. 42, iss. 13, pp. 2415−2418. DOI: 10.1364/OL.42.002415
Рецензия
Для цитирования:
Руденков А., Кисель В., Ясюкевич А., Ованесьян К., Петросян А., Кулешов Н. Компактный лазер на кристалле Yb3+:LuAlO3 с активной модуляцией добротности резонатора, излучающий на длине волны 999,6 нм для применения в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии. Приборы и методы измерений. 2019;10(2):119-127. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-2-119-127
For citation:
Rudenkov A., Kisel V., Yasukevich A., Hovhannesyan K., Petrosyan A., Kuleshov N. Compact 999.6 nm Actively Q-Switched Yb3+:LuAlO for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Laser. Devices and Methods of Measurements. 2019;10(2):119-127. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-2-119-127