Láser Er: YAG bombeado en banda de alta potencia a 1617 nm

  Resumen: Se informa el funcionamiento a alta temperatura y temperatura ambiente de un láser Er: YAG a 1617 nm en banda bombeado por un láser de fibra Er, Yb bombeado por revestimiento a 1532 nm. El láser Er: YAG produjo 31 W de salida de onda continua en una viga con M2»2.2 por 72 W de potencia de la bomba incidente. La potencia umbral de la bomba fue de 4.1 W y la eficiencia de la pendiente con respecto a la potencia de la bomba incidente fue ~ 47%. Se discute la influencia del nivel de dopaje de erbio y el diseño del resonador en el rendimiento del láser, y se consideran las perspectivas de un mayor aumento en la potencia de salida y la mejora en la eficiencia de las cargas láser.

  2008 Sociedad óptica de América

  Códigos OCIS: (140.0140) Láser y óptica láser; (140.3070) Láseres infrarrojos y de infrarrojo lejano; (140.3500) Láser, erbio; (140.3510) Láser, fibra; (140.3580) Láser, estado sólido.

 1. Introducción

  Fuentes de láser que operan en el régimen de longitud de onda respetuoso con el ojo alrededor de 1.5-1.6metroTengo numerosas aplicaciones que incluyen detección remota, alcance y comunicaciones de espacio libre. El bombeo directo (en banda) de Er: YAG con un láser de fibra Er, Yb [1-6] o un láser de diodo [7-9] está emergiendo rápidamente como una de las rutas más prometedoras para este régimen de longitud de onda debido a la perspectiva de potencia de salida alta-media en modos de operación de onda continua (cw) y Q-switched. El uso de un láser de bombeo basado en fibra es particularmente atractivo ya que permite el uso de cristales de Er: YAG con bajas concentraciones de iones de erbio para minimizar el impacto perjudicial de la conversión de transferencia de energía (ETU) en el rendimiento del láser [10] y evita necesidad de enfriamiento criogénico para lograr altas eficiencias de láser [8]. Una de las principales atracciones del enfoque híbrido láser de fibra a granel es el calentamiento por defectos cuánticos muy bajo en el medio láser a granel, lo que simplifica enormemente la escala de potencia en una geometría láser que también ofrece el potencial de alta energía de pulso en el modo Q-switched. Este enfoque se ha aplicado con éxito a los láseres Er dopado y Ho-dopado que funcionan en los regímenes de longitud de onda de ~ 1.6 y ~ 2.1 μm. En un trabajo reciente, demostramos láseres híbridos basados ​​en Er: YAG con > 60 W de salida cw [1] y con > 15 mJ de energía de pulso en modo Q-switched en el 4yo13/2 ® 4yo15/2

transición a 1645 nm [2,10]. Sin embargo, para algunas aplicaciones de teledetección y medición remota, esta longitud de onda operativa es un poco inconveniente, ya que hay algunas líneas de absorción atmosférica debidas al metano que están en proximidad muy cercana, lo que requiere una cuidadosa selección y control de la longitud de onda láser. Er: YAG también tiene una transición entre los mismos colectores superior e inferior a 1617 nm (ver Fig. 1), que se encuentra en una región del espectro donde no hay líneas de absorción atmosférica. Esta transición se beneficia de una mayor sección transversal de emisión, pero tiene un carácter de tres niveles mucho más pronunciado que requiere ~ 14% de los iones Er3 + que se excitan al colector superior para alcanzar la transparencia en comparación con ~ 9% para la transición de 1645 nm. Como resultado, la potencia umbral de la bomba para el funcionamiento a 1617 nm es generalmente mucho más alta que para el funcionamiento a 1645 nm y, por lo tanto, las configuraciones de resonador estándar normalmente funcionan a 1645 nm. El funcionamiento de Er: YAG a 1617 nm se ha logrado empleando componentes discriminantes de longitudes de onda adicionales intracavidad (por ejemplo, etalones) [5,6] para suprimir la línea a 1645 nm o funcionando a temperaturas criogénicas donde la pérdida por reabsorción a 1617 nm se reduce drásticamente [8]. En ambos casos, las potencias medias más altas informadas hasta la fecha están por debajo de < 6 W utilizando la discriminación de longitud de onda [6] y < 0,32 W para operación cuasi-cw a 78 K [8]. Aquí, informamos los resultados de un estudio experimental sobre la operación a 1617 nm de láseres híbridos Er: YAG a potencias de bomba elevadas y discutimos cómo diversos factores (incluido el nivel de dopaje Er3 + y el diseño de cavidades) influyen en el rendimiento del láser. Con base en los resultados de este estudio y utilizando una estrategia simple para la escala de potencia, hemos demostrado un láser Er: YAG, bombeado en banda por un láser de fibra Er, Yb bombeado en revestimiento a 1532 nm, con 31 W de salida cw en 1617 nm para 72 W de potencia de la bomba incidente a temperatura ambiente. Según nuestro leal saber y entender, esta es la potencia de salida de cw más alta registrada hasta la fecha para un láser Er: YAG que opera en la línea de 1617 nm.

Fig. 1. Diagrama del nivel de energía Er: YAG que muestra las transiciones del láser a 1617 nm y 1645 nm.

  2.Experimento

La configuración del láser híbrido Er: YAG utilizada en nuestros experimentos se muestra en la Fig. 2. El láser de bombeo de fibra Er, Yb se construyó en la empresa [11] y comprendía una longitud de ~ 2,5 m de fibra de doble revestimiento con un 30metrom diámetro (0,22 NA) Er, núcleo de fosfo-silicato dopado con Yb rodeado por un 400metrom diámetro de revestimiento interno de sílice pura en forma de D. La fibra se recubrió con un revestimiento exterior de polímero fluorado de bajo índice de refracción (n = 1,375), dando una NA calculada de 0,49 para la guía de la bomba de revestimiento interno. La operación en el pico de absorción en Er: YAG a 1532 nm se logró con la retroalimentación selectiva de longitud de onda proporcionada por una cavidad externa que contiene una rejilla de difracción (600 líneas / mm) en la configuración de Littrow. Se utilizó una lente de colimación de longitud focal relativamente larga (120 mm) en la cavidad externa para asegurar que la selectividad espectral de la rejilla era suficiente para lograr un ancho de banda láser más corto (~ 0,4 nm) que el ancho de banda de absorción Er: YAG (~ 4 nm ) La retroalimentación para el láser en el extremo opuesto de la fibra fue proporcionada por el ~ 3.6% de reflexión de Fresnel desde una faceta dividida perpendicularmente. La luz de la bomba fue proporcionada por dos módulos de bomba de diodo de nueve barras combinados por polarización a 976 nm. El haz de salida de los módulos combinados de la bomba se dividió espacialmente en dos haces de potencia aproximadamente igual utilizando un espejo de borde de cuchillo que permite el bombeo de la fibra Er, Yb desde ambos extremos. De esta forma, la carga de calor se distribuyó más uniformemente a lo largo de la fibra, reduciendo la probabilidad de daño inducido térmicamente en el recubrimiento externo del polímero. Usando esta disposición, la fibra Er, Yb produjo una potencia de salida máxima de 120 W a 1532 nm en un haz con M2 < 5 por ~ 440 W de potencia de la bomba lanzada. En este nivel de potencia, el láser de fibra era propenso a dañarse, por lo que, para garantizar un funcionamiento confiable, el láser funcionaba a niveles de potencia por debajo de 75 W.

  Se empleó un simple resonador plegado de cuatro espejos para el láser Er: YAG. Esto comprendía un acoplador de entrada de bomba plano con alta reflectividad (> 99,8%) a la longitud de onda láser (1600-1650 nm) y alta transmisión (> 95%) a la longitud de onda de la bomba (1532 nm), dos espejos cóncavos (R1 y R2) de 100 mm de radio de curvatura con alta reflectividad (> 99,8%) tanto en la longitud de onda de bombeo como en la de bombeo y un acoplador de salida plana. Una gama de acopladores de salida con transmisiones de 10%, 20%, 30% y 50% a la longitud de onda láser estuvieron disponibles para nuestro estudio. Para investigar la influencia de la concentración de Er3 + en el rendimiento, se emplearon tres varillas Er: YAG con niveles de dopaje de 0.25 at.%, 0.5 at.% Y 1.0 at.% Y con longitudes respectivas de 58 mm, 29 mm y 15 mm. Las longitudes de los cristales se seleccionaron de modo que los tres cristales tuvieran aproximadamente la misma eficacia de absorción de la bomba a bajas potencias de la bomba (es decir, en ausencia de blanqueo de estado fundamental). El último se midió en ~ 98%, lo que indica que el coeficiente de absorción en Er: YAG para 1532 nm de bombeo es ~ 260 m-1 / at.%. Ambas caras de los extremos de las varillas Er: YAG tenían recubrimiento antirreflejante para 1.5 a 1.7metrom rango de longitud de onda que abarca las longitudes de onda de bombeo y láser.

Fig. 2. Diagrama esquemático del resonador Er: YAG. IC: espejo acoplador de entrada

(AR a 1532 nm y HR a 1600-1700 nm). OC: espejo acoplador de salida

 (Transmisión (T) del 10%, 20%, 30% o 50% a 1600-1700 nm).

  Las varillas Er: YAG eranmontado en un disipador de calor de aluminio refrigerado por agua mantenido cerca de la temperatura ambiente a 17 oC y colocado en el punto medio del brazo resonador definido por los dos espejos curvos (R1 y R2). La longitud física de este brazo del resonador era ~ 125 mm y la longitud física total del resonador era ~ 365 mm, lo que resulta en un radio de cintura TEM00 calculado de ~ 80metrometro. El ángulo de incidencia en los espejos curvados se hizo muy pequeño (< 10 °) para minimizar el astigmatismo. El haz de bombeo del láser de fibra Er, Yb se acopló al resonador a través del acoplador de entrada plano y luego se centró en un radio de cintura de ~ 75metrom en la varilla Er: YAG con la ayuda del espejo curvo R1. Un etalón de sílice fundida no recubierta de 100metroSe usó el espesor m para proporcionar la discriminación de longitud de onda (cuando es necesario) para asegurar el láser en la línea de 1617 nm.

3. Resultados y discusión

  En el umbral para la oscilación láser, la ganancia de ida y vuelta debe ser igual a la pérdida fraccional de la cavidad del láser, por lo tanto

sgramo norte l = -[Iniciar sesión mi (1 - T)+ Iniciar sesión mi (1 - L)](1)

  donde σg es la sección transversal de ganancia, N es la concentración de dopaje activo, l es la longitud del medio de ganancia, T es la transmisión del acoplador de salida y L es la pérdida de cavidad de ida y vuelta (excluyendo la pérdida de acoplamiento de salida) . La sección transversal de ganancia depende de las secciones eficaces de emisión y absorción (σe y σa) para la transición y las densidades de población, N2 y N1, en el colector superior (4I13 / 2) y el colector inferior (4I15 / 2) respectivamente a través de la relación [4]:

sgramo = bsmi - (1- segundo)sun(2)

  donde el parámetro de inversión β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N en ausencia de conversión de transferencia de energía. Para exigir el láser en la línea de 1617 nm, se debe configurar el resonador de manera que el umbral para el funcionamiento a 1617 nm sea menor que para cualquiera de las otras transiciones láser de 4I13 / 2 a 4I15 / 2. Normalmente, la línea de 1645 nm tiene el umbral más bajo debido a su carácter de tres niveles más débil (es decir, una sección transversal de absorción más baja), aunque la transición de 1617 nm tiene una sección transversal de emisión efectiva mucho más alta. Sin embargo, esto deja abiertas dos opciones para la selección de longitud de onda. El primer enfoque, y el más obvio, es usar discriminación de pérdida (por ejemplo, un etalón de intracavidad) para seleccionar la línea de 1617 nm. El segundo enfoque, y quizás el más simple, es explotar el hecho de que la sección transversal de ganancia, σg aumenta más rápidamente con el parámetro de inversión, β para la línea de 1617 nm que para la línea de 1645 nm (véase la Fig. 3). El resultado neto es que a altas densidades de inversión, la sección transversal de ganancia a 1617 nm es más alta

Fig. 3. Secciones transversales de ganancia calculadas a 1617 nm y 1645 nm como una función del parámetro de inversión de la población.

que a 1645 nm. A temperatura ambiente (300 K), esto requiere que al menos el 35% de los iones Er3 + se exciten al colector 4I13 / 2. En la práctica, esto puede lograrse simplemente aumentando el umbral usando un acoplador de salida de transmisión mucho más alto, sin la necesidad de componentes de intracavidad selectivos de longitud de onda adicionales.

  Se llevaron a cabo experimentos preliminares utilizando la varilla Er: YAG con un nivel de dopaje de 0,5% y usando el etalón intracavitario para seleccionar la operación a 1617 nm. Los resultados para la potencia de salida del láser en función de la potencia de la bomba incidente para tres transmisiones de acoplador de salida diferentes (10, 20 y 30%) se muestran en la figura 4 (a). Además, para comparación, también se muestra la potencia de salida para el funcionamiento a 1645 nm frente a la potencia de la bomba (es decir, sin el etalón presente en la cavidad). Se puede ver que la potencia del láser aumenta con la transmisión del acoplador de salida a 1617 nm. Sin embargo, las potencias de salida a 1617 nm son algo menores que a 1645 nm. Además, hay un vuelco muy pronunciado en la potencia de salida a 1617 nm a medida que la potencia de la bomba aumenta por encima de ~ 60 W, en contraste con la situación a 1645 nm. La Figura 4 (b) muestra el rendimiento de 1617 nm con una transmisión del acoplador de salida del 50%. En este caso, no se requiere un etalon. La potencia umbral de la bomba era ~ 5.2 W y la eficiencia de la pendiente con respecto a la potencia incidente fue de ~ 42% hasta una potencia de bombeo de ~ 45 W. Con mayor potencia de bombeo, la potencia de salida se desplaza muy bruscamente alcanzando una potencia máxima de salida 16 W. Esto es considerablemente menor que para el mismo resonador con transmisiones de acoplador de salida de 20% y 30%. Atribuimos el vuelco en potencia a 1617 nm a un carácter de tres niveles más pronunciado (es decir, mayor pérdida de reabsorción) debido a un aumento de la temperatura como resultado del aumento de la carga térmica a altas potencias de la bomba. La situación se agrava aún más por la conversión de transferencia de energía que actúa para aumentar aún más la carga de calor cuando se opera a altas densidades de excitación. Esto es evidente a partir de la transferencia de potencia más dramática para el láser con una transmisión de acoplador de salida del 50%.

Fig. 4. Potencia de salida frente a la potencia de la bomba incidente para el láser Er: YAG con un nivel de dopaje de 0,5%.

(a) usando acopladores de salida con transmisiones del 10%, 20% y 30%. (Los símbolos sólidos representan una operación a 1617 nm con un etalón y los símbolos abiertos representan una operación a 1645 nm).

(b) Potencia de salida a 1617 nm con transmisiones de acoplador de salida del 20%, 30% (con etalón) y 50% (sin etalón).

  Repetimos el experimento con varillas Er: YAG con niveles de dopaje de 0,25 en% y 1,0% en% utilizando el acoplador de salida de transmisión del 50%. La Figura 5 (a) muestra la potencia de salida en función de la potencia de la bomba para los tres niveles de dopaje utilizados en nuestro estudio. La densidad de carga térmica, y por lo tanto el aumento de temperatura en la varilla dopada al 0,25% es al menos un factor de dos más bajo que para la varilla dopada al 0,5% debido a la menor concentración de dopaje y a las pérdidas por conversión reducida. Como consecuencia, no observamos un vuelco en la potencia de salida hasta la potencia de bomba máxima disponible de 75 W. Por el contrario, la varilla dopada al 1,0% presenta una densidad de carga térmica mucho más alta y, por lo tanto, aumenta la temperatura y, como se esperaba, el láser se comportó mucho peor alcanzando una potencia de salida máxima de solo 3 W. Estos resultados respaldan nuestra afirmación de que la transferencia de potencia se debe a un mayor comportamiento de tres niveles debido a la carga térmica y se ve exacerbada por la conversión de transferencia de energía. Por lo tanto, el uso de bajos niveles de dopaje de Er3 + junto con una gestión térmica efectiva es crucial para la escala de potencia en la transición de 1617 nm en los modos de operación de onda continua y de conmutación Q.

Fig. 5. Potencia de salida del láser Er: YAG a 1617 nm frente a la potencia de la bomba para

 (a) diferentes niveles de doping Er3 + utilizando un acoplador de salida con 50% de transmisión

y (b) un diseño optimizado de la cavidad usando un 0.25 en. % cristal

  La Figura 5 (b) muestra la potencia de salida a 1617 nm frente a la potencia de la bomba para un diseño de resonador optimizado utilizando la varilla Er: YAG de 0,25%. En este caso, los dos espejos de 100 mm de radio de curvatura fueron reemplazados por espejos con un radio de curvatura de 150 mm y la longitud del resonador se ajustó para dar un radio calculado de cintura TEM00 más grande de ~ 100metroy, por lo tanto, una mejor superposición espacial con la región bombeada. La potencia umbral de la bomba era ~ 4.1 W y la eficiencia de la pendiente con respecto a la potencia de la bomba incidente era ~ 47%. No se produjo un vuelco en la potencia de salida hasta la potencia máxima disponible de la bomba y el láser produjo una potencia de salida máxima de 31 W a 1617 nm en una viga con M2»2.2 por 72 W de potencia de la bomba incidente.

4.Resumen

  El funcionamiento de láseres Er: YAG bombeados en banda híbridos a 1617 nm a niveles de potencia altos en modo de onda continua o en modo de conmutación Q es mucho más desafiante que para el funcionamiento en la línea más familiar de 1645 nm. Nuestros resultados sugieren que la carga térmica debido al calentamiento de los defectos cuánticos y la conversión de transferencia de energía, y el aumento asociado en la temperatura y la pérdida de reabsorción de menor nivel es la razón principal. Llegamos a la conclusión de que el uso de un bajo nivel de doping Er3 + y una gestión térmica efectiva es vital para la escala de poder en esta transición. Usando esta estrategia de escalado de potencia simple hemos demostrado en láser Er: YAG, bombeado por un láser de fibra Er, Yb de alta potencia a 1532 nm, con una potencia de salida de onda continua de 31 W a 1617 nm para 72 W de potencia de bomba incidente y con una eficiencia de pendiente correspondiente del 47%. El escalado adicional de la potencia de salida y la extensión al modo de funcionamiento con conmutación Q puede beneficiarse del uso de niveles de dopaje aún más bajos de erbio.

  Expresiones de gratitud

  Este trabajo fue financiado por el Centro de Tecnología de Defensa Electro-Magnética Teledetección (EMRS), establecido por el Ministerio de Defensa del Reino Unido.