Применение метода отклонения лазерного пучка для определения термооптических коэффициентов в кристалле гадолиний-иттриевого ортосиликата, легированного ионами эрбия

В статье представлены результаты использования метода отклонения лазерного пучка для определения величин термооптических коэффициентов (ТОК) в кристалле гадолиний-иттриевого ортосиликата, легированного ионами эрбия Er³⁺ (Er³⁺:(GdY)₂SiO₅– Er:GYSO). Кристалл Er:GYSO, легированный ионами эрбия в количестве 0,1 ат.%, выращен методом Чохральского в атмосфере азота. Шихта состояла из оксидов Er₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃ и SiO₂ в пропорции, соответствующей формуле (Er_0.001Gd_0.8995Y_0.0995)₂SiO_5. Оптические свойства кристалла Er:GYSO описываются на основе оптической индикатрисы с тремя ортогональными главными осями N_p , N_m  и N_g . Для характеризации TOК использовался образец кристалла Er:GYSO в форме прямоугольного параллелепипеда размером 7,0 (N_p) × 8,0 (N_m ) × 8,5 (N_g ) мм³. Грани образца перпендикулярны осям оптической индикатрисы N_p , N_m  и N_g . Метод отклонения лазерного пучка в результате распространения через исследуемый материал, в котором создан линейный градиент температуры, использован для определения TOК. Измерения проведены на длине волны 632,8 нм. Установлены также термические коэффициенты оптического пути (TКOП) для кристалла Er:GYSO на длине волны 632,8 нм для различных поляризаций света E и волнового вектора k. Величины TКOП являются положительными для всех направлений распространения света k // N_p , N_m , N_g . Это означает, что знак термической линзы, которая непосредственно связана с величиной TКOП, будет также положительным и, следовательно, положительная термическая линза будет наблюдаться в кристалле Er:GYSO, вырезанном вдоль направлений N_p , N_m  и N^g . Из анализа значений термической линзы величина dn/dT в кристалле Yb:GYSO оценена как 6,5×10^–6 K^–1.

1. Lisiecki R, Dominiak-Dzik G, Solarz P, Ryba-Romanowski W, Berkowski M, Głowacki M. Optical spectra and luminescence dynamics of the Dy-doped Gd2SiO5 single crystal. Appl. Phys. B. 2010;98:337-346. DOI: 10.1007/s00340-009-3759-6

2. Beach R, Albrecht C, Solarz R, Krupke W, Comaskey B, Mitchell S, Brandle С, Berkstresser С. A ground state depleted laser in neodymium doped yttrium orthosilicate. Proc. SPIE. 1990;1223:160-180. DOI: 10.1117/12.18408

3. Borel C, Herlet N, Templier R, Calvat C, Wyon C. Comparison of the laser performance of various neodymium doped materials in a compact diode pumped cavity. Journal de Physique. 1994;4(C4):549-552. DOI: 10.1051/jp4:19944132

4. Gaume R, Haumesser PH, Viana B, Vivien D, Ferrand B, Aka G. Optical and laser properties of Yb:Y2SiO5 single crystals and discussion of the figure of merit relevant to compare ytterbium-doped laser materials. Optical Materials. 2002;19(1):81-88. DOI: 10.1016/S0925-3467(01)00204-X

5. Yan C, Zhao G, Zhang L, Xu J, Liang X, Juan D, Li W, Pan H, Ding L, Zeng H. A new Yb-doped oxyorthosilicate laser crystal: Yb:Gd2SiO5. Solid State Commun. 2006;137(8):451-455. DOI: 10.1016/j.ssc.2005.12.023

6. Cabaret L, Robert J, Lebbou K, Brenier A, Cabane H. Growth, spectroscopy and lasing of the Ybdoped monoclinic Gd2SiO5 in the prospect of hydrogen laser cooling with Lyman-α radiation. Optical Materials. 2016;62:597-603. DOI: 10.1016/j.optmat.2016.11.007

7. Wang H, Hou Q, Huang JH, Gong XH, Lin YF, Chen YJ, Luo ZD, Huang YD. Polarized spectroscopic properties and continuous-wave laser operation of Yb:Gd2SiO5 crystal. Journal of Alloys and Compounds. 2016;683:554-558. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.05.123

8. Li W, Pan H, Ding L, Zeng H, Lu W, Zhao G, Yan C, Su L, Xu J. Efficient diode-pumped Yb:Gd2SiO5 laser. Appl. Phys. Lett. 2006;88:221117-3. DOI: 10.1063/1.2206150

9. Li W, Hao Q, Zhai H, Zenga H, Lu W, Zhao G, Yan C, Su L, Xu J. Low-threshold and continuously tunable Yb:Gd2SiO5 laser. Appl. Phys. Lett. 2006;89: 101125-3. DOI: 10.1063/1.2349281

10. Jacquemet M, Jacquemet C, Janel N, Druon F, Balembois F, Georges P, Petit J, Viana B, Vivien D, Ferrand B. Efficient laser action of Yb:LSO and Yb:YSO oxyorthosilicates crystals under high-power diode-pumping. Appl. Phys. B. 2005;80:171-176. DOI: 10.1007/s00340-004-1698-9

11. Chénais S, Balembois F, Druon F, LucasLeclin G, Georges P. Thermal lensing in diode-pumped ytterbium lasers – part II: Evaluation of quantum efficiencies and thermo-optic coefficients. IEEE J. of Quantum Electronics. 2004;40(9):1235-1243. DOI: 10.1109/JQE.2004.833203

12. Li C, Moncorgé R, Souriau JC, Borel C, Wyon Ch. Room temperature cw laser action of Y2SiO5:Yb3+, Er3+ at 1.57 μm. Optics Commun. 1994;107(1-2):61-64. DOI: 10.1016/0030-4018(94)90103-1

13. Schweizer T, Jensen Т, Heumann Е, Huber G. Spectroscopic properties and diode pumped 1.6 μm laser performance in Yb-codoped Er:Y3A15O12 and Er:Y2SiO5. Optics Commun. 1995;118(5-6):557-561. DOI: 10.1016/0030-4018(95)00284-F

14. Li C, Moncorgé R, Souriau JC, Wyon Ch. Efficient 2.05 μm room temperature Y2SiO5:Tm3+ cw laser. Optics Commun. 1993;101(5-6):356-360. DOI: 10.1016/0030-4018(93)90729-O

15. Thony P, Borel C, Templier R. Tm:Y2SiO5 and Tm:SrY4(SiO4)3O microchip laser. In Laser Optics' 95: Solid State Lasers. 1996;2772:22-27. DOI: 10.1117/12.238116

16. Zhou Z, Xu B, Guan X, Xu H, Cai Z, XuX, Li D, Xu J. Tm:Y2SiO5 crystal: effective material for the generation of eye-safe laser sources. Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2018;24(5):1-7. DOI: 10.1109/JSTQE.2018.2805851

17. Thibault F, Pelenc D, Druon F, Zaouter Y, Jacquemet M, Georges P. Efficient diode-pumped Yb3+:Y2SiO5 and Yb3+:Lu2SiO5 high-power femtosecond laser operation. Optics Letters. 2006;31(10):1555-15557. DOI: 10.1364/OL.31.001555

18. Li W, Hao Q, Zhai H, Zeng H, Lu W, Zhao G, Zheng L, Su L, Xu J. Diode-pumped Yb:GSO femtosecond laser. Optics Express. 2007;15(5):2354-2359. DOI: 10.1364/OE.15.002354

19. Maksimchuka V, Baumerb V, Bondara V, Galicha Yu, Kurtseva D, Sidletskiy O. Mechanical properties and lattice parameters of Lu2xGd2(1−x)SiO5:Ce scintillation crystals. Acta Phys. Pol. 2010;A117(1):146-149.

20. Zheng L, Xu J, Zhao G, Su L, Wu F, Liang X. Bulk crystal growth and efficient diode-pumped laser performance of Yb3+:Sc2SiO5. Appl. Phys. B. 2008;91:443- 445. DOI: 10.1007/s00340-008-3021-7

21. Guan X, Zhou Z, Huang X, Xu B, Xu H, Cai Z, Xu X, Li D, Xu J. Diode-end-pumped Nd3+-doped oxyorthosilicate GYSO lasers operating on 4F3/2 → 4I13/2 transition. Laser Physics. 2017;27(12):125806-553. DOI: 10.1088/1555-6611/aa91be

22. Li DZ, Xu XD, Cong ZH, Zhang J, Tang DY, Zhou DH, Xia CT, Wu F, Xu J. Growth, spectral properties, and laser demonstration of Nd:GYSO crystal. Appl. Phys. B. 2011;104:53-58. DOI: 10.1007/s00340-010-4302-5

23. Lin Z, Huang X, Lan J, Cui S, Wang Y, Xu B, Luo Z, Xu H, Cai Z, Xu X, Zhang X, Wang J, Xu J. Compact diode-pumped continuous-wave and passively Qswitched Nd:GYSO laser at 1.07 μm. Optics and Laser Technology. 2016;82:82-86. DOI: 10.1016/j.optlastec.2016.02.017

24. Feng C, Liu Z, Cong Z, Shen H, Li Y, Wang Q, Fang J, Xu X, Xu J, Zhang X. Investigation of continuous wave and pulsed laser performance based on Nd3+:Gd0.6Y1.4SiO5 crystal. Laser, Phys. Lett. 2015;12(12):125806-6. DOI: 10.1088/1612-2011/12/12/125806

25. Brickeen BK, Geathers E. Laser performance of Yb3+ doped oxyorthosilicates LYSO and GYSO. Opt. Express. 2009;17(10):8461-8466. DOI: 10.1364/OE.17.008461

26. Li W, Hao Q, Ding L, Zhao G, Zheng L, Xu J, Zeng H. Continuous-wave and passively mode-locked Yb:GYSO lasers pumped by diode lasers. IEEE J. Quantum Electron. 2008;44(6):567-572. DOI: 10.1109/JQE.2007.916664

27. Zhou B, Wei Z, Zhang Y, Zhong X, Teng H, Zheng L, Su L, Xu J. Generation of 210 fs laser pulses at 1093 nm by a self-starting mode-locked Yb:GYSO laser. Optics Letters. 2009;34(1):31-33. DOI: 10.1364/OL.34.000031

28. Zhu J, Gao Z, Tian W, Wang J, Wang Z, Wei Z, Zheng L, Su L, Xu J. Kerr-lens mode-locked femtosecond Yb:GdYSiO5 laser directly pumped by a laser diode. Appl. Sci. 2015;5(4):817-824. DOI: 10.3390/app5040817

29. 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. Opt. Express. 2006;14(8):3333-3338. DOI: 10.1364/OE.14.003333

30. Nye JF. Physical Properties of Crystals. Oxford at the Clarendon Press, 1964.

31. Beach R, Albrecht G, Solan R, Krupke W, Comasky B, Mitchell S, Brandle C, Berkstresser G. A ground-state depleted laser in neodynium doped yttrium orthosilicate. Proc. SPIE 1223, Solid State Lasers.1990;1223:160-180. DOI: 10.1117/12.18408

32. Vatnik S, Pujol MC, Carvajal JJ, Mateos X, Aguiló M, Díaz F, Petrov V. Thermo–optic coefficients of monoclinic KLu(WO4)2. Appl. Phys. B. 2009;95(4):653- 656. DOI: 10.1007/s00340-009-3541-9

33. Loiko PA, Yumashev KV, Kuleshov NV, Pavlyuk AA. Thermooptic coefficients measurements by a laser beam deviation method for the medium with linear thermal gradient. Devices and Methods of Measurements. 2010;1:70–77. (In Russ.).

34. Loiko PA, Filippov VV, Yumashev KV, Kuleshov NV, Pavlyuk AA. Thermo-optic coefficients study in KGd(WO4)2 and KY(WO4)2 by a modified minimum deviation method. Appli Opt. 2012;51(15):2951-2957. DOI: 10.1364/AO.51.002951

35. Biswal S, O’Connor SP, Bowman SR. Thermooptical parameters measured in ytterbium-doped potassium gadolinium tungstate. Appl. Opt. 2005;44(15):3093- 3097. DOI: 10.1364/AO.44.003093

36. Kurilchik S, Dernovich O, Gorbachenya K, Kisel V, Kolesova I, Kravtsov A, Guretsky S, Kuleshov N. Growth, spectroscopy, and laser characterization of Er:KGdxYbyY1-x-y(WO4)2 epitaxial layers. Opt. Letters. 2017;42(21):4565-4568. DOI: 10.1364/OL.42.004565

37. Filippov VV, Kuleshov NV, Bodnar IT. Negative thermo-optical coefficients and athermal directions in monoclinic KGd(WO4)2 and KY(WO4)2 laser host crystals in the visible region. Appl. Phys. B. 2007;87(4):611-614. DOI: 10.1007/s00340-007-2666-y

38. Weber MJ. Handbook of Laser Science and Technologies, Supplement 2: Optical Materials. CRC Press, London, 1995.

39. Utsu T, Akiyama S. Growth and applications of Gd2SiO5:Ce scintillators. J. Crystal Growth. 1991;109(1- 4):385-391. DOI: 10.1016/0022-0248(91)90207-L

40. Bolaños W, Carvajal JJ, Mateos X, Pujol MC, Thilmann N, Pasiskevicius V, Lifante G, Aguiló M, Diaz F. Epitaxial layers of KY1-x-yGdxLuy(WO4)2 doped with Er3+ and Tm3+ for planar waveguide lasers. Opt. Materials. 2010;32(3):469-474. DOI: 10.1016/j.optmat.2009.10.011

41. Tsay Y, Bendow B, Mitra SS. Theory of the Temperature Derivative of the Refractive Index in Transparent Crystals. Phys. Rev. B. 1973;8(6):2688-2696. DOI: 10.1103/PhysRevB.8.2688

42. Loiko P, Mateos X, Wang Y, Pan Z, Yumashev K, Zhang H, Griebner U, Petrov V. Thermo-optic dispersion formulas for YCOB and GdCOB laser host crystals. Opt. Mat. Express. 2015;5(5):1089-1097. DOI: 10.1364/OME.5.001089

43. Loiko PA, Yumashev KV, Kuleshov NV, Rachkovskaya GE, Pavlyuk AA. Thermo-optic dispersion formulas for monoclinic double tungstates KRe(WO4)2 where Re = Gd, Y, Lu, Yb. Optical Materials. 2011;33(11): 1688-1694. DOI: 10.1016/j.optmat.2011.05.028

44. Chénais S, Balembois F, Druon F, LucasLeclin G, Georges P. Thermal lensing in diode-pumped ytterbium lasers – Part II: Evaluation of quantum efficiencies and thermo-optic coefficients. IEEE J. Quantum Electron. 2004;40(9):1235-1243. DOI: 10.1109/JQE.2004.833203