Кристалл Er³⁺,Yb³⁺:YGdSiO₅ для лазеров спектрального диапазона 1,5–1,6 мкм

Твердотельные эрбиевые лазеры, излучающие в спектральной области 1,5–1,6 мкм, представляют большой интерес для различных практических применений. Из доступных на сегодня лазерных материалов для получения стимулированного излучения в области 1,5 мкм наибольшее распространение получили фосфатные стёкла, легированные ионами Er³⁺. Однако максимальные выходные мощности таких лазеров ограничены несколькими сотнями милливатт из-за низких термических характеристик стекла, поэтому поиск подходящей кристаллической матрицы для ионов эрбия является актуальным и в настоящее время.

В работе представлены результаты исследований спектроскопических свойств кристалла иттрий-гадолиниевого силиката, легированного ионами эрбия и иттербия – Er³⁺,Yb³⁺:YGdSiO₅ (YGSO). Измерены спектры поглощения и люминесценции в поляризованном свете, определены времена жизни возбуждённых состояний активных ионов. Измерения спектров поглощения из возбуждённого состояния показали, что полоса поглощения из возбуждённого состояния не перекрывается с полосой усиления в спектральной области 1,5–1,6 мкм. Проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия. Выполнен расчёт спектров поперечных сечений вынужденного излучения и усиления.

1. Myers M.J., Myers J.D., Sarracino J.T., Hardy C.R., Guo B., Christian S.M., Myers J.A., Roth F., MyersA.G. LIBS system with compact fiber spectrometer, head mounted spectra display and hand held eyesafe erbium glass laser gun. Solid State Lasers XIX: Technology and Devices, 2010, vol. 7578, p. 75782G. DOI: 10.1117/12.841901

2. Taccheo 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, no. 13, pp. 19–21. DOI: 10.1109/68.903207

3. Huang J., Chen Y., Wang H., Lin Y., Gong X., Luo Z., Huang Y. Efficient 1620 nm continuous-wave laser operation of Czochralski grown Er:Yb:Lu2Si2O7 crystal. Optics Express, 2017, vol. 25, iss. 20, pp. 24001–24006. DOI: 10.1364/OE.25.024001

4. Schweizer T., Jensen T., Heumann E., Huber G. Spectroscopic properties and diode-pumped 1.6 μm laser performance in Yb-codoped Er:Y3Al5O12 and Er:Y2SiO5. Optics communications, 1995, vol. 118, no. 5–6, pp. 557– 561. DOI: 10.1016/0030-4018(95)00284-F

5. Tolstik N.A., Troshin A.E., Kurilchik S.V., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Matrosov V.N., Matrosova T.A., Kupchenko M.I. Spectroscopy, continuouswave and Q-switched diode-pumped laser operation of Express, 2013, vol. 3, iss. 11, pp. 1885–1892. DOI: 10.1364/OME.3.001885

6. Bjurshagen S., Brynolfsson P., Pasiskevicius V., Parreu I., Pujol M.C., Peña A., Aguiló M., Díaz F.. Crystal growth, spectroscopic characterization, and eyesafe laser operation of erbium- and ytterbium-codoped KLu(WO4 )2. Applied optics, 2008, vol. 47, no. 5, pp. 656– 665. DOI: 10.1364/AO.47.000656 7.

7. 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 μm. Optics Express, 2010, vol. 18, iss. 13, pp. 13700–13707. DOI: 10.1364/OE.18.013700

8. Huang J., Chen Y., Gong X., Lin Y., Luo Z., Huang Y. Spectral and laser properties of Er:Yb:Sr3Lu2(BO3)4 crystal at 1.5–1.6 μm. Optics Express, 2013, vol. 3, iss. 11, pp. 1885–1892. DOI: 10.1364/OME.3.001885

9. Kisel V., Gorbachenya K., Yasukevich A., Ivashko A., Kuleshov N., Maltsev V., Leonyuk N. Passively Q-switched microchip Er, Yb:YAl3(BO3)4 diode-pumped laser. Optics Lett., 2012, vol. 37, no. 13, pp. 2745–2747. DOI: 10.1364/OL.37.002745

10. Gorbachenya 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: 10.21122/2220-9506-2019-10-1-14-22

11. 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. Continuous-wave Laser on Er,Yb-Codoped Pentaborate Crystal. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 4, pp. 271–280. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-301-307

12. Gorbachenya 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. Optics Lett., 2016, vol. 41, no. 5, pp. 918– 921. DOI: 10.1364/OL.41.000918

13. Gorbachenya K.N., Kisel V.E., Yasukevich A.S., Prudnikova M.B., Maltsev V.V., Leonyuk N.I., Choi S.Y., Rotermund F., Kuleshov N.V. Passively Q-switched Er,Yb:GdAl3(BO3 )4 laser with single-walled carbon nanotube based saturable absorber. Laser Phys. Lett., 2017, vol. 14, no. 3, p. 035802. DOI: 10.1088/1612-202X/aa5c68

14. Gorbachenya К., Kisel V., Yasukevich A., Loiko P., Mateos X., Maltsev V., Leonyuk N., Aguiló M., Díaz F., Griebner U., Petrov V., Kuleshov N. Graphene Q-switched Er,Yb:GdAl3(BO3 )4 laser at 1550 nm. Applied Optics, 2017, vol. 56, no. 16, pp. 4745–4749. DOI: 10.1364/AO.56.004745

15. Tolstik N., Sorokin E., Karhu E.A., Gorbachenya K., Polyakov S.M., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Furtula V., Gibson U.J., Sorokina I.T. Spectral-luminescent properties of vapor deposited Cr:ZnS thin films and their application as saturable absorbers for 1.5-µm erbium lasers. Opt. Mater. Exp., 2018, vol. 8, no. 3, pp. 522–531. DOI: 10.1364/OME.8.000522

16. Li C., Wyon C., Richard Moncorge. Spectroscopic properties and fluorescence dynamics of Er3+ and Yb3+ in Y2SiO5. IEEE J. Quant. Electr., 1992, vol. 28, no. 4, pp. 1209–1221. DOI: 10.1109/3.135248

17. Zong Y., Zhao G., Yan C., Xu X., Su L., Xu J. Growth and spectral properties of Gd2SiO5 crystal codoped with Er and Yb. Journal of Crystal Growth, 2006, vol. 294, no. 2, pp. 416–419. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.06.019

18. Thibault F., Pelenc D., Druon F., Zaouter Y., Jaquemet M., Georges P. Efficient diode-pumped Yb3+:Y2SiO5 and Yb3+:Lu2SiO5 high-power femtosecond laser operation. Opt. Lett., 2006, vol. 31, no. 10, pp. 1555–1557. DOI: 10.1364/OL.31.001555

19. Du J., Liang X., Xu Y., Li R., Xu Z., Yan C., Zhao G., Su L., Xu J. Tunable and efficient diode-pumped Yb3+:GYSO laser. Optics Express, 2006, vol. 14, iss. 8, pp. 3333–3338. DOI: 10.1364/OE.14.003333

20. Burns P.A., Dawes J.M., Dekker P., Piper J.A., Jiang H., Wang J. Optimization of Er,Yb:YCOB for CW laser operation. IEEE J. Quant. Electr., 2004, vol. 40, no. 11, pp. 1575–1582. DOI: 10.1109/JQE.2004.834935

21. 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