Моделирование лазеров на основе иттербий-эрбиевого стекла с пассивной модуляцией добротности при поперечной накачке линейками лазерных диодов

Разработана математическая модель твердотельного лазера с пассивной модуляцией добротности на основе активных сред со-легированных иттербием и эрбием, с поперечной накачкой линейками лазерных диодов. Усиление в лазере рассчитывается с использованием скоростных уравнений с учётом пространственно-временной зависимости интенсивности излучения накачки в лазерном элементе. Выходные характеристики лазера, энергия импульса, пиковая мощность импульса и его длительность, рассчитываются с использованием аналитических уравнений, полученных для твердотельного лазера с пассивной модуляцией добротности в приближении «медленного» насыщающегося поглотителя. Модель позволяет найти диапазон параметров активного элемента, пассивного модулятора, резонатора и системы накачки, при которых достигается порог генерации и лазер генерирует импульсы с требуемой энергией и длительностью. Результаты моделирования использованы для экспериментальной разработки лазеров с активным элементом на основе фосфатного стекла, соактивированного ионами иттербия и эрбия. Энергия и длительность выходных световых импульсов составляли ≈ 1 мДж, ≈ 40 нс и ≈ 2 мДж и ≈ 20 нс в зависимости от содержания ионов иттербия и эрбия в активном элементе, а также от начального пропускания пассивного модулятора и параметров резонатора.

1. Mlynchak J, Kopchynski K, Mierchyk Z [et al.]. Practical application of pulsed ''eye-safe'' microchip laser to laser rangefinders. Opto-Electronics Review. 2013;21(3):332-337. DOI: 10.2478/s11772-013-0098-2

2. Besogonov VV, Improvement of laser rangefinders with pulse energy safe for human eyes. Measurement Techniques. 2017;60(8):801-805. DOI: 10.1007/s11018-017-1273-5

3. Bondarenko DA, Karasik VE, Magdich LN [et al.]. Compact diode-pumped erbium-doped laser with acousto-optic Q-modulation. Vestnik MGTU named after N.E. Bauman, ser. Priborostroenie. 2017;5:14-30. DOI: 10.18698/0236-3933-2017-5-14-30

4. Gapontsev VP, Matitsin SM, Isineev AA [et al.]. Erbium glass lasers and their applications. Optics and Laser Technology. 1982;14(4):189-196. DOI: 10.1016/0030-3992(82)90095-0

5. Gapontsev VP, Matitsin SM, Isineev AA. Channels of energy losses in erbium laser glasses in the stimulated emission process. Optics Communications. 1983;46(3-4):226-230. DOI: 10.1016/0030-4018(83)90283-3

6. Karlsson G, Pasiskevicius V, Laurell FJ [et al.]. Diode-pumped Er-Yb:glass laser passively Q switched by use of Co2+:MgAl2O4 as a saturable absorber. Appl. Opt. 2000;39:6188-6192. DOI: 10.1364/AO.39.006188

7. Karlsson G, Laurell F, Tellefsen J [et al.]. Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping. Appl Phys B. 2002;75:41-46. DOI: 10.1007/s00340-002-0950-4

8. Malyarevich AM, Yumashev KV. Solid-state bleachable media. Minsk, BNTU, 2008. 204 р.

9. Koechner W. Solid State Laser Engineering, 6th ed. Springer, 2006. 750 р. DOI: 10.1007/0-387-29338-8

10. Hutchinson JA, Allik TH. Diode array-pumped Er, Yb: Phosphate glass laser. Applied Physics Letters. 1992;60:1424. DOI: 10.1063/1.107310

11. Georgiou E, Musset O, Boquillon JP. Highefciency and high-output pulse energy performance of a diode-pumped Er:Yb:glass 1.54-µm laser. Appl. Phys. B. 2000;70:755-762. DOI: 10.1007/s003400000206

12. Levoshkin A, Petrov A, Montagne JE. Highefficiency diode-pumped Q-switched Yb:Er:glass laser. Optics Communications. 2000;185:399-405. DOI: 10.1016/S0030-4018(00)01012-9

13. Ryabtsev GI, Bezyazychnaya TV, Parastchuk VV [et al.]. Spectral and temporal properties of diode-pumped Er, Yb: glass laser. Optics Communications. 2005;252:301-306. DOI: 10.1016/j.optcom.2005.04.036

14. Bykov VN, Izyneev AA, Sadovoi AG. Transversely diode-pumped passively Q-switched erbium glass laser emitter. Quantum Electronics. 2008;38(3):209-212. DOI: 10.1070/QE2008v038n03ABEH013588

15. Ryabtsev GI, Bezyazychnaya TV, Bogdanovich MV [et al.]. Optimized diode-pumped passive Qswitched ytterbium–erbium glass laser. Applied Physics B. 2012;108:283-288. DOI: 10.1007/s00340-012-5036-3

16. Ryabtsev GI, Bogdanovich MV, Grigor’ev AV [et al.]. Efficiency of laser-diode-array side pumping of a passively Q-switched erbium laser. J. Opt. Technol. 2015;82(9):576-581. DOI: 10.1364/JOT.82.000576

17. Vitkin VV, Polyakov VM, Kharitonov AA [et al.]. Side Diode Pumped Ultra-Compact Er:Glass Laser, International Conference on Photonics Solutions 2015, ed. N. Chattham, A. Pattanaporkratana, S. Chiangga, S. Sumriddetchkajorn, Proc. of SPIE. Vol. 9659, 965919. DOI: 10.1117/12.2195720

18. Batura EO, Bogdanovich MV, Grigor′ev AV [et al.]. Single-frequency transversally diode pumped Yb,Erlaser with passive Q-switching unit, Journal of Applied Spectroscopy. 2021;88(1);48-54. DOI: 10.1007/s10812-021-01139-x

19. Kisel VE, Yasyukevich AS, Kondratyuk NV [et al.]. Diode-pumped passively Q-switched high-repetition-rate Yb microchip laser. Quantum Electronics. 2009;39(11):1018-1022. DOI: 10.1070/QE2009v039n11ABEH014151

20. Hodgson N. and Weber H. Optical Resonators. Springer-Verlag London. 1997:659 р.

21. Gorbachenya KN, Kisel VE, Yasukevich AS [et al.]. Monolithic 1.5 μm Er,Yb:GdAl3(BO3)4 eye-safe laser. Optical Materials. 2019;88:60-66. DOI: 10.1016/j.optmat.2018.11.006