ضخ عالية الطاقة داخل النطاق Er: YAG laser في 1617 نانومتر

  الخلاصة: عملية درجة حرارة الغرفة عالية الطاقة لعدسة YAG: YAG عند 1617 نانومتر في النطاق الذي يتم ضخه بواسطة ليزر الألياف Er-Yb الكسوة المضخوخ في 1532 نانومتر. أنتج ليزر YAG: Er: 31 W من الموجة المستمرة في حزمة مع M2»2.2 لـ 72 W من طاقة المضخة العارضة. كانت قدرة المضخة العتبة 4.1 واط وكانت كفاءة المنحدر فيما يتعلق بقوة المضخة العارضة 47٪. تمت مناقشة تأثير مستوى تعاطي المنشطات (erbium doping) و تصميم المرنان (ronator) على أداء الليزر ، و تم النظر في إمكانية زيادة الطاقة الإنتاجية و تحسين كفاءة الليزر.

  2008 جمعية البصريات الأمريكية

  رموز OCIS: (140.0140) الليزر والبصريات الليزرية. (140.3070) ليزر أشعة تحت الحمراء وبعيدًا عن أشعة تحت الحمراء. (140.3500) ليزر ، إربيوم ؛ (140.3510) ليزر ، ألياف ؛ (140.3580) ليزر ، الحالة الصلبة.

 1 المقدمة

  تعمل مصادر الليزر في نظام الطول الموجي للعيون حول 1.5-1.6مم لديها العديد من التطبيقات بما في ذلك ، والاستشعار عن بعد ، والمدى واتصالات الفضاء الحر. الضخ المباشر (داخل النطاق) لـ Er: YAG مع ليزر من نوع Er Yb ، Yb [1-6] أو ليزر ديود [7-9] يبرز بسرعة كواحد من أكثر الطرق الواعدة لنظام الأطوال الموجية هذا بسبب الاحتمال من الطاقة الإنتاجية العالية المتوسطة في كل من أنماط الموجة المستمرة (cw) و Q-switched للتشغيل. يعتبر استخدام ليزر المضخة الليزرية جذابًا بشكل خاص لأن هذا يسمح باستخدام بلورات Er: YAG ذات تركيزات أيونات الإربيوم المنخفضة لتقليل التأثير الضار لنقل الطاقة (ETU) على أداء الليزر [10] وتجنب الحاجة للتبريد المبرد لتحقيق كفاءات عالية للليز [8]. إن أحد عوامل الجذب الرئيسية لنهج الليزر الهجين ذو الألياف الكبيرة هو التسخين الكمي المنخفض جدًا في وسط الليزر الكبير ، والذي يبسط إلى حد كبير مقياس القوة في هندسة الليزر الذي يوفر أيضًا إمكانية الطاقة النبضية العالية في وضع التبديل Q-switched. وقد تم تطبيق هذا النهج بنجاح على أشعة الليزر المنشطة والهو dيد التي تعمل في أنظمة الطول الموجي ~ 1.6 و ~ 2.1 ميكرومتر. في العمل الأخير ، أظهرنا ليزرات هجينة تعتمد على Er: YAG with & gt؛ 60 واط من الناتج cw [1] ومع طاقة & gt؛ 15 mJ نبضة في وضع Q-switched على 4أنا13/2 ® 4أنا15/2

 الانتقال في 1645 نانومتر [2،10]. ومع ذلك ، فإن هذا الطول الموجي التشغيلي لبعض تطبيقات الاستشعار عن بعد والمدى البعيد غير مناسب بعض الشيء ، حيث توجد بعض خطوط الامتصاص في الغلاف الجوي بسبب الميثان والتي تكون قريبة جداً مما يتطلب الاختيار الدقيق والتحكم في طول موجة الليزر. Er: YAG لديه أيضاً انتقال بين نفس الفتحات العلوية والسفلية عند 1617 نانومتر (انظر الشكل 1) ، التي تقع في منطقة الطيف حيث لا توجد خطوط امتصاص جوي. يستفيد هذا الانتقال من المقطع العرضي للانبعاثات الأعلى ، ولكنه يحتوي على حرف ثلاثي الأبعاد أكثر وضوحًا مما يتطلب تحريك حوالي 14٪ من أيونات +3 إلى المشعب العلوي للوصول إلى الشفافية مقارنة بـ ~ 9٪ للانتقال 1645 نانومتر. ونتيجة لذلك ، تكون قدرة المضخة العتبة لتشغيل 1617 نانومتر أعلى بشكل عام من 1645 نانومتر ، وبالتالي تكون تكوينات المرنان القياسية عادة في 1645 نانومتر. تم تحقيق تشغيل Er: YAG عند 1617 نانومتر إما عن طريق استخدام مكونات تميّز الطول الموجي الإضافية (مثل etalons) [5،6] لقمع الخط في 1645 نانومتر أو من خلال التشغيل عند درجات الحرارة المنخفضة حيث إعادة امتصاص الدم عند 1617 نانومتر ينخفض ​​بشكل كبير [8]. في كلتا الحالتين ، فإن أعلى متوسطات للسلطات تم الإبلاغ عنها حتى الآن أقل من & lt؛ 6 W باستخدام التمييز الطول الموجي [6] و & lt؛ 0.32 واط لعملية شبه-cw عند 78 كيلو [8]. هنا ، لدينا تقرير عن نتائج دراسة تجريبية على 1617 نانومتر عملية هجين ليزر YAG: YAG الهجين في قوى ضخ عالية ومناقشة كيف تؤثر العوامل المختلفة (بما في ذلك مستوى المنشطات + التجويف) على أداء الليزر. استنادًا إلى نتائج هذه الدراسة وباستخدام إستراتيجية بسيطة لقياس الطاقة ، فقد أظهرنا ليزر Er: YAG ، في النطاق الذي تم ضخه بواسطة ليزر ليف Er-Yb الكسوة المضخوخ على 1532 نانومتر ، مع 31 وات من خرج cw عند 1617 nm لـ 72 W من طاقة المضخة الضائعة في درجة حرارة الغرفة. على حد علمنا ، هذه هي أعلى طاقة ناتجة cw تم الإبلاغ عنها حتى الآن من أجل ليزر YAG: Er الذي يعمل على خط 1617 نانومتر.

الشكل 1. Er: مخطط YAG مستوى الطاقة الذي يوضح انتقالات الليزر في 1617 نانومتر و 1645 نانومتر.

  2.Experiment

  يوضح الشكل 2 تشكيلة ليزر Er: YAG الهجينة المستخدمة في تجاربنا. وقد تم بناء ليزر مضخة الألياف Er و Yb داخل المنزل [11] ويتألف من طول 2.5 متر من الألياف المزدوجة مع 30مم قطر (0.22 NA) ع ، جوهره الفوسفات سيليكات Yb- Yb-doped محاطة 400مم على شكل D غلاف داخلي من السيليكا النقي. تم تطريق الألياف بمؤشر انكسار منخفض (n = 1.375) من الكسوة الخارجية البوليمر المفلور ، مما يعطي نسبة NA محسوبة قدرها 0.49 لمرشح المضخة الداخلية. تم تحقيق التشغيل عند ذروة الامتصاص في Er: YAG عند 1532 نانومتر مع التغذية العكسية ذات الطول الموجي المقدمة بواسطة تجويف خارجي يحتوي على صريف حيود (600 خط / مم) في تكوين Littrow. تم استخدام عدسة طولية بؤرية طويلة نسبيا (120 ملم) في التجويف الخارجي لضمان أن الانتقائية الطيفية للشبكة كانت كافية لتحقيق عرض نطاق ضيق أضيق (~ 0.4 نانومتر) من عرض نطاق امتصاص Er: YAG (~ 4 نانومتر ). تم توفير التغذية الراجعة للليز في الطرف المقابل من الألياف بواسطة انعكاس فريسنيل بنسبة 3.6٪ من وجه ذو شق متعامد. تم توفير ضوء المضخة عن طريق وحدتين من وحدات الصمام الثنائي المكونة من 9 صمامات بقطر 966 نانومتر. تم تقسيم شعاع الخرج من وحدات المضخة المركبة مكانياً إلى حزمتين من الطاقة متساوية تقريباً باستخدام مرآة حافة سكين تسمح بالضخ من الألياف Er و Yb من كلا الطرفين. وبهذه الطريقة ، كان تحميل الحرارة موزعاً بشكل أكثر انتظامًا على طول الألياف مما يقلل من احتمال حدوث الضرر الناجم حرارياً للطبقة الخارجية للبوليمر. باستخدام هذا الترتيب ، أنتجت الألياف Er و Yb قدرة خرج قصوى قدرها 120 واط عند 1532 نانومتر في حزمة مع M2 & lt؛ 5 لـ ~ 440 واط من قوة المضخة المطلقة. على مستوى الطاقة هذا ، كان ليزر الألياف عرضة للتلف لذلك ، لضمان تشغيل موثوق به ، يعمل الليزر على مستويات طاقة أقل من 75 W.

  تم استخدام رنونة بسيطة مطوية مكونة من أربعة مرآة للعدسة Er: YAG. يشتمل هذا على موصِّل دخل لمضخة طائرة مع انعكاسية عالية (& gt؛ 99،8٪) عند طول الموجة الليزرية (1600-1650 نانومتر) وارتفاع الإرسال (& gt؛ 95٪) عند طول موجة المضخة (1532 نانومتر) ومراوحتان مقعرتان (R1 و R2) من منحنى نصف قطره 100 مم مع انعكاس عالى (& gt؛ 99.8٪) عند كل من الليزرات وأطوال موجات المضخة ومقرن مخرج مخرج. كانت لدينا مجموعة من قارنات الإخراج مع نقل 10 ٪ ، 20 ٪ ، 30 ٪ و 50 ٪ في الطول الموجي lasing كانت متاحة لدراستنا. وللتحقق من تأثير تركيز Er3 + على الأداء ، تم استخدام ثلاثة من قضبان Er: YAG مع مستويات تعاطي 0.25 عند.٪ ، 0.5٪ .0 و 1.0 عند.٪ ومع أطوال 58 مم ، 29 مم و 15 مم. تم اختيار أطوال البلورات بحيث كانت كل البلورات الثلاثة لديها نفس كفاءة امتصاص المضخة تقريبًا عند قوى المضخة المنخفضة (أي في غياب تبيض الحالة الأرضية). تم قياس هذا الأخير ليكون ~ 98 ٪ مشيرا إلى أن معامل الامتصاص في Er: YAG لضخ 1532 نانومتر هو ~ 260 م -1 / في. ٪. كلتا الوجوه الطرفية للقضبان Er: YAG كانت مضادة للانعكاس المغلفة لـ 1.5 إلى 1.7منطاق الموجة m يغطي كل من الموجات وطول الموجات lasing.

الشكل 2. رسم تخطيطي ل Er: YAG resonator. IC: مرآة مقرنة المدخلات

(AR في 1532 نانومتر والموارد البشرية في 1600-1700 نانومتر). OC: مرآة مقرنة الإخراج

 (النقل (T) من 10٪ ، 20٪ ، 30٪ أو 50٪ في 1600-1700 نانومتر).

  آر: كان YAG قضبانيتم تركيبه في حوض حراري من الألمنيوم المبرد بالماء ويتم الحفاظ عليه بالقرب من درجة حرارة الغرفة عند 17 درجة مئوية ويتم وضعه في منتصف نقطة ذراع الرنانة المحدد بواسطة المرآتين المنحنيتين (R1 و R2). كان الطول المادي لهذا الذراع للمرنان هو 125 مم وكان الطول الكلي للرنان هو ~ 365 مم مما أدى إلى حساب نصف قطر خصر TEM00 من ~ 80مم. كانت زاوية الورود على المرايا المنحنية صغيرة جدا (& lt؛ 10 °) لتقليل الاستجماتيزم. تم تقريب شعاع المضخة من ليزر الألياف Er ، Yb إلى داخل الرنان عبر قارنة توصيل المدخلات ومن ثم ركز على دائرة نصف قطرها 75 ~مم في Er: YAG قضيب بمساعدة منحنى مرآة R1. سليكا etalon صهر غير مصقول من 100متم استخدام سمك m لتوفير طول موجة الطول (عند الضرورة) لضمان lasing على خط 1617 نانومتر.

3. النتائج والمناقشة

  عند عتبة التذبذب الليزري ، يجب أن يكون ربح الذهاب والعودة مساوياً للكسر التجزيئي لتجويف الليزر ، وبالتالي

sز N ل = -[سجل البريد (1 - تي)+ سجل البريد (1 - L)](1)

  حيث σg هو المقطع العرضي للربح ، N هو تركيز منشط الأيونات النشط ، l هو طول وسيط الكسب ، T هو إرسال قارنة الإخراج ، L هو خسارة التجويف ذهابا وإيابا (باستثناء خسارة اقتران الخرج) . يعتمد المقطع العرضي للربح على المقاطع العرضية الممتزجة للانبعاثات والامتصاص (ande و )a) للانتقال وعلى الكثافة السكانية ، N2 و N1 ، في المشعب العلوي (4I13 / 2) والشعب السفلي (4I15 / 2) على التوالي عن طريق العلاقة [4]:

sز = بكالوريوسالبريد - (1- ب)sا(2)

  حيث تكون معلمة الانعكاس β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N في غياب نقل الطاقة وتحويل الطاقة. يتطلب فرض lasing على خط 1617 nm تكوين المرنان بحيث تكون عتبة العملية 1617 nm أقل من أي من التحولات الليزرية الأخرى من 4I13 / 2 إلى 4I15 / 2. عادة ، يكون خط 1645 نانومتر له أدنى عتبة بسبب طابعه الضعيف المكون من ثلاثة مستويات (أي المقطع العرضي المنخفض الامتصاص الفعال) ، على الرغم من أن الانتقال 1617 نانومتر له مقطع عرضي للانبعاثات الفعالة أعلى بكثير. ومع ذلك ، فإن هذا يترك خيارين مفتوحين لاختيار الطول الموجي. النهج الأول والأكثر وضوحًا هو استخدام التمييز ضد الخسارة (مثل intracavity etalon) لتحديد خط 1617 نانومتر. أما الأسلوب الثاني ، وربما الأكثر بساطة ، فهو استغلال حقيقة أن المقطع العرضي المكافئ ، σg يزيد بسرعة أكبر بمعلمة الانعكاس ، β لخط 1617 نانومتر من خط 1645 نانومتر (انظر الشكل 3). النتيجة الصافية هي أنه عند الكثافة العالية للانعكاس ، يكون المقطع العرضي للكسب عند 1617 نانومتر أعلى

الشكل 3. مقاطع عرض كسب محسوبة عند 1617 نانومتر و 1645 نانومتر كدالة لمعامل الانعكاس السكاني.

من 1645 نانومتر. في درجة حرارة الغرفة (300 K) ، يتطلب ذلك تحفيز ما لا يقل عن 35 ٪ من أيونات Er3 + إلى وحدة 4I13 / 2. من الناحية العملية ، يمكن تحقيق ذلك ببساطة عن طريق زيادة العتبة باستخدام قارنة توصيل ناتج إرسال أعلى بكثير ، دون الحاجة إلى مكونات إضافية لتكوين التداخل بين الموجات.

  أجريت التجارب الأولية باستخدام قضيب Er: YAG مع 0.5 في. ٪ المنشطات باستخدام intracavity etalon لتحديد عملية 1617 نانومتر. وترد في الشكل 4 نتائج قدرة خرج الليزر كدالة لطاقة المضخة العارضة لثلاث إرسالات توصيل مخرجات مختلفة (10 و 20 و 30٪). أيضا ، للمقارنة تظهر أيضا قوة الإخراج لتشغيل 1645 نانومتر مقابل قوة المضخة (أي دون وجود أيالون موجودة في التجويف). يمكن ملاحظة أن قوة الليزر تزداد مع انتقال مقرنة الإخراج عند 1617 نانومتر. ومع ذلك ، فإن قوى الإخراج عند 1617 نانومتر هي أقل إلى حد ما من 1645 نانومتر. علاوة على ذلك ، هناك زيادة كبيرة في طاقة الإخراج عند 1617 نانومتر مع زيادة قوة المضخة إلى ما يزيد عن 60 واط على عكس الحالة عند 1645 نانومتر. ويبين الشكل 4 (ب) أداء 1617 نانومتر مع إرسال مقرنة خرج 50٪. في هذه الحالة لم يكن مطلوبا ايثلون. كانت قدرة المضخة العتبة ~ 5.2 واط وكانت كفاءة المنحدر فيما يتعلق بقوة المضخة العارضة 42٪ حتى قوة المضخة البالغة 45 ~ 45. عند قوة المضخة الأعلى ، تتدحرج طاقة الخرج بشكل حاد جداً لتصل إلى أقصى طاقة خرج فقط 16 W هذا أقل بكثير من نفس المرنان مع إرسالات توصيل مخرجات 20٪ و 30٪. نحن نعزو القدرة المتدحرجة عند 1617 نانومتر إلى حرف ثلاثي الأبعاد أكثر وضوحًا (بمعنى زيادة فقد إعادة الامتصاص) بسبب ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن زيادة التحميل الحراري عند قوى المضخات العالية. يزداد الوضع سوءًا بسبب نقل الطاقة وتحويلها ، مما يعمل على زيادة تحميل الحرارة عند التشغيل بكثافة عالية للإثارة. ويتجلى ذلك من خلال أكثر دراماتيكية في السلطة لليزر مع انتقال مقرنة الإخراج 50 ٪.

التين. 4. طاقة الإخراج مقابل طاقة المضخة العارضة لـ Er: YAG laser بـ 0.5 at.٪ doping level

(أ) استخدام قارنات الإخراج بإرسالات تبلغ 10٪ و 20٪ و 30٪. (تمثل الرموز الصلبة عملية 1617 نانومتر مع إيالون والرموز المفتوحة تمثل عملية 1645 نانومتر).

(ب) طاقة الإخراج عند 1617 نانومتر مع إرسالات مقرنة الإخراج من 20٪ ، 30٪ (مع أتالون) و 50٪ (بدون إيالون).

لقد كررنا التجربة باستخدام قضبان Er: YAG بتركيز 0.25 عند .0٪ و 1.0 عند مستويات التطعيم٪. باستخدام قارنة توصيل الإخراج 50٪. يبين الشكل 5 (أ) قوة الخرج كدالة لطاقة المضخة لمستويات المنشطات الثلاثة المستخدمة في دراستنا. كثافة التحميل الحراري ، وبالتالي ارتفاع درجة الحرارة في 0.25 في.٪ doped rod هو على الأقل عامل أقل من اثنين من 0.5 في٪. doped rod بسبب انخفاض تركيز المنشطات وخفض الخسائر upconversion. ونتيجة لذلك ، لم نلاحظ أي رجوع في قوة الخرج حتى قدرة المضخة القصوى المتاحة التي تبلغ 75 وات. وعلى النقيض من ذلك ، فإن القضيب المرقوب 1.0٪. له كثافة تحميل أعلى بكثير وبالتالي ارتفاع درجة الحرارة ، وكما هو متوقع ، لقد كان أداء الليزر أسوأ بكثير ليصل إلى طاقة خرج قصوى تبلغ 3 واتوات فقط. هذه النتائج تدعم تأكيدنا على أن الدوران في الطاقة يرجع إلى زيادة سلوك المستوى الثالث بسبب الحمل الحراري ويتفاقم بفعل نقل الطاقة إلى أعلى. وبالتالي ، فإن استخدام مستويات إزالة المنشطات (Er3 +) المنخفضة بالتزامن مع الإدارة الحرارية الفعالة يعد أمراً حاسماً لتدرج الطاقة في الانتقال 1617 ميل بحري في أنماط التشغيل المستمر للموجات Q و التبديل.

التين 5. Er: YAG خرج طاقة الليزر عند 1617 نانومتر مقابل طاقة المضخة لـ

 (أ) مستويات تعاطي المنشطات المختلفة باستخدام Er3 + باستخدام قارنات خرج مع إرسال 50٪

و (ب) تصميم تجويف محسّن باستخدام 0.25 بوصة. ٪ كريستال.

  يبين الشكل 5 (b) قدرة الخرج عند 1617 نانومتر مقابل قدرة المضخة لتصميم مرنان محسّن باستخدام قضيب 0.25 في.٪ إيه: YAG. في هذه الحالة ، تم استبدال مرايا نصف قطرها 100 مم بمرايا ذات انحناء نصف قطرها 150 مم وتم تعديل طول الرنونة لإعطاء نصف قطر أكبر بمقدار TEM00 محسوب بمقدار 100 ~مم وبالتالي تداخل مكاني أفضل مع المنطقة المضخة. قوة المضخة العتبة كانت ~ 4.1 واط وكانت كفاءة المنحدر فيما يتعلق بقوة المضخة العارضة 47٪. لم يكن هناك أي زيادة في قدرة الخرج حتى القدرة القصوى المتاحة للمضخة ، وأنتج الليزر قدرة خرج قصوى قدرها 31 واط عند 1617 نانومتر في حزمة مع M2»2.2 لـ 72 W من طاقة المضخة العارضة.

4.Summary

  تشغيل الهجين المختلط داخل النطاق Er: YAG ليزر عند 1617 نانومتر عند مستويات طاقة عالية في الموجات المستمرة أو في أوضاع التشغيل Q-switched هو أكثر تحديًا بكثير من التشغيل في خط 16 نانومتر المألوف الأكثر شيوعًا. نتائجنا تشير إلى أن التحميل الحراري بسبب التسخين الكمي للعيوب وتحويل الطاقة وتحويلها ، والزيادة المرتبطة في درجة الحرارة وانخفاض خسارة إعادة امتصاص المستوى هو السبب الرئيسي. نخلص إلى أن استخدام مستوى المنشطات منخفض Er3 + والإدارة الحرارية الفعالة أمر حيوي لقياس الطاقة في هذا الانتقال. باستخدام إستراتيجية قياس الطاقة البسيطة هذه ، أظهرنا على ليزر Er: YAG ، الذي تم ضخه بواسطة ليزر الألياف Er-Yb العالي القدرة عند 1532 نانومتر ، مع طاقة خرج موجة مستمرة تبلغ 31 واط عند 1617 نانومتر لـ 72 واط من طاقة المضخة العارضة ومع كفاءة المنحدر المقابلة من 47 ٪. وقد يؤدي التوسع في قوة الخرج والإطالة إلى نمط التشغيل Q-switched إلى الاستفادة من استخدام مستويات أقل من تعاطي المنشطات الإربيوم.

شكر وتقدير

  تم تمويل هذا العمل من قبل مركز تكنولوجيا الدفاع الكهرومغناطيسي عن بعد (EMRS) ، الذي أنشأته وزارة الدفاع البريطانية.