De alta potência in-band bombeado Er: YAG laser em 1617 nm

Resumo: É relatada a operação à temperatura ambiente em alta potência de um laser Er: YAG em banda de 1617 nm bombeado por um laser de fibra Er, Yb bombeado por revestimento a 1532 nm. O laser Er: YAG produziu 31 W de saída de onda contínua em um feixe com M2»2,2 para 72 W de potência da bomba incidente. A potência limite da bomba foi de 4,1 W e a eficiência da inclinação em relação à potência da bomba incidente foi de ~ 47%. A influência do nível de dopagem de érbio e do design do ressonador no desempenho do laser é discutida, e as perspectivas de aumento adicional na potência de saída e melhoria na eficiência do laser são consideradas.

  2008 Optical Society of America

  Códigos OCIS: (140.0140) Lasers e óptica laser; (140.3070) Laser infravermelho e infravermelho distante; (140,3500) Lasers, erbio; (140,3510) Lasers de fibra; (140,3580) Lasers em estado sólido.

 1. Introdução

  Fontes de laser que operam no regime de comprimento de onda eyesafe em torno de 1.5-1.6mm tem inúmeras aplicações, incluindo, sensoriamento remoto, alcance e comunicações de espaço livre. O bombeamento direto (em banda) de Er: YAG com um laser de fibra Er, Yb [1-6] ou um laser de diodo [7-9] está emergindo rapidamente como uma das rotas mais promissoras para este regime de comprimento de onda devido à perspectiva de alta potência de saída média em ambos os modos de operação de onda contínua (cw) e Q-switched. O uso de um laser de bomba à base de fibra é particularmente atraente, pois permite o uso de cristais Er: YAG com baixas concentrações de íons de éio para minimizar o impacto negativo da transferência de transferência de energia (ETU) no desempenho do laser [10] e evita o necessidade de refrigeração criogênica para alcançar altas eficiências de laser [8]. Uma das principais atrações da abordagem de fibra híbrida a granel é o aquecimento muito baixo de defeitos quânticos no meio de granel, o que simplifica muito a escala de energia em uma geometria de laser que também oferece o potencial de alta energia de pulso no modo Q-chaveado. Esta abordagem foi aplicada com sucesso aos lasers dopados e dopados com Ho que operam nos regimes de comprimento de onda de ~ 1,6 e ~ 2,1 µm. Em trabalhos recentes, demonstramos lasers híbridos baseados em Er: YAG com > 60 W de saída cw [1] e com > 15 mJ de energia de pulso no modo Q-switched no 4Eu13/2 ® 4Eu15/2

 transição a 1645 nm [2,10]. No entanto, para algumas aplicações de sensoriamento remoto e alcance, este comprimento de onda de operação é um pouco inconveniente, uma vez que existem algumas linhas de absorção atmosférica devido ao metano que estão muito próximos, necessitando de cuidadosa seleção e controle do comprimento de onda. Er: YAG também tem uma transição entre os mesmos coletores superior e inferior a 1617 nm (ver Fig. 1), que se encontra em uma região do espectro onde não há linhas de absorção atmosférica. Essa transição se beneficia de uma seção transversal de emissão mais alta, mas possui um caráter de três níveis muito mais pronunciado, exigindo que ~ 14% dos íons Er3 + sejam excitados para o coletor superior para alcançar transparência em comparação com ~ 9% para a transição de 1645 nm. Como resultado, a potência limite da bomba para operação de 1617 nm é geralmente muito maior do que para a operação de 1645 nm e, portanto, as configurações de ressonador padrão normalmente são de 1645 nm. O funcionamento de Er: YAG a 1617 nm foi conseguido utilizando componentes intracavitários de componentes de comprimento de onda adicionais (por exemplo, etalões) [5,6] para suprimir a linha a 1645 nm ou operando a temperaturas criogénicas onde a perda de reabsorção a 1617 nm é drasticamente reduzido [8]. Em ambos os casos, as maiores potências médias reportadas até à data são inferiores a < 6 W usando discriminação de comprimento de onda [6] e < 0,32 W para operação quasi-cw a 78 K [8]. Aqui, nós relatamos os resultados de um estudo experimental na operação de 1617 nm de lasers híbridos Er: YAG em altas potências da bomba e discutimos como vários fatores (incluindo o nível de doping Er3 + e o design da cavidade) influenciam o desempenho do laser. Com base nos resultados deste estudo e usando uma estratégia simples para dimensionamento de potência, demonstramos um laser Er: YAG, em banda bombeado por um laser de fibra Er, Yb bombeado por revestimento a 1532 nm, com 31 W de saída cw em 1617 nm para 72 W de potência da bomba incidente à temperatura ambiente. Até onde sabemos, esta é a maior potência de saída cw reportada até hoje para um laser Er: YAG operando na linha de 1617 nm.

Fig. 1. Er: diagrama de nível de energia YAG mostrando as transições de laser em 1617 nm e 1645 nm.

  Experiência

  A configuração do laser híbrido Er: YAG usada em nossos experimentos é mostrada na Fig. 2. O laser de bomba de fibra Er, Yb foi construído internamente [11] e compreendeu um comprimento de ~ 2,5 m de fibra dupla com 30mm diâmetro (0,22 NA) Er, núcleo de fosfo-silicato dopado com Yb rodeado por ummm diâmetro interno revestimento em sílica pura em forma de D. A fibra foi revestida com um revestimento externo de polímero fluorado de baixo índice de refracção (n = 1,375), dando um NA calculado de 0,49 para o guia da bomba de revestimento interior. A operação no pico de absorção em Er: YAG a 1532 nm foi obtida com feedback seletivo de comprimento de onda fornecido por uma cavidade externa contendo uma grade de difração (600 linhas / mm) na configuração Littrow. Uma lente de colimação de comprimento focal relativamente longa (120 mm) foi usada na cavidade externa para assegurar que a seletividade espectral da grade fosse suficiente para alcançar uma largura de banda mais estreita (~ 0.4 nm) do que a largura de banda de absorção Er: YAG (~ 4 nm ). O feedback para o laser na extremidade oposta da fibra foi fornecido pela reflexão de Fresnel de ~ 3.6% a partir de uma faceta perpendicularmente clivada. A luz da bomba foi fornecida por dois módulos de bomba de diodo de nove barras combinados com polarização a 976 nm. O feixe de saída dos módulos combinados da bomba foi dividido espacialmente em dois feixes de potência aproximadamente igual usando um espelho de faca que permite bombear a fibra Er, Yb de ambas as extremidades. Desta forma, a carga de calor foi distribuída de maneira mais uniforme ao longo da fibra, reduzindo a probabilidade de danos induzidos termicamente ao revestimento externo do polímero. Utilizando este arranjo, a fibra Er, Yb produziu uma potência de saída máxima de 120 W a 1532 nm num feixe com M2 < 5 para ~ 440 W de potência de bomba lançada. Neste nível de potência, o laser de fibra era propenso a danos, de modo a garantir uma operação confiável, o laser operou em níveis de potência abaixo de 75 W.

  Um ressonador simples de quatro espelhos foi empregado para o laser Er: YAG. Isto compreendeu um acoplador de entrada de bomba plana com alta refletividade (> 99,8%) no comprimento de onda de laser (1600-1650 nm) e alta transmissão (> 95%) no comprimento de onda da bomba (1532 nm), dois espelhos côncavos (R1 e R2) de um raio de curvatura de 100 mm com alta refletividade (> 99,8%) nos comprimentos de onda do laser e da bomba e um acoplador de saída no plano. Uma variedade de acopladores de saída com transmissões de 10%, 20%, 30% e 50% no comprimento de onda de laser estavam disponíveis para nosso estudo. Para investigar a influência da concentração de Er3 + no desempenho, três bastões Er: YAG com níveis de dopagem de 0,25%, 0,5% e 1,0% e com comprimentos de 58 mm, 29 mm e 15 mm foram empregados. Os comprimentos dos cristais foram seleccionados de modo a que todos os três cristais tivessem aproximadamente a mesma eficiência de absorção da bomba a baixas potências da bomba (isto é, na ausência de branqueamento no estado fundamental). Este último foi medido em ~ 98%, indicando que o coeficiente de absorção em Er: YAG para bombeamento a 1532 nm é ~ 260 m-1 / at.%. Ambas as faces das hastes Er: YAG foram revestidas com antirreflexo para o 1,5 a 1,7mm faixa de comprimento de onda cobrindo os comprimentos de onda da bomba e do laser.

Fig. 2. Diagrama esquemático do ressonador Er: YAG. IC: espelho acoplador de entrada

(AR a 1532 nm e HR a 1600-1700 nm). OC: espelho acoplador de saída

 (Transmissão (T) de 10%, 20%, 30% ou 50% a 1600-1700 nm).

  As hastes Er: YAG forammontado em um dissipador de calor de alumínio refrigerado a água mantido próximo à temperatura ambiente a 17 oC e posicionado no ponto médio do braço ressonador definido pelos dois espelhos curvos (R1 e R2). O comprimento físico deste braço do ressonador foi de ~ 125 mm e o comprimento físico total do ressonador foi de ~ 365 mm resultando no cálculo de um raio de cintura de TEM00 de ~ 80mm. O ângulo de incidência nos espelhos curvos foi muito pequeno (< 10 °) para minimizar o astigmatismo. O feixe da bomba a partir do laser de fibra Er, Yb foi acoplado ao ressonador através do acoplador de entrada plano e depois focalizado a um raio da cintura de ~ 75mm na haste Er: YAG com o auxílio do espelho curvo R1. Uma sílica fundida sem revestimento de 100mm espessura foi usada para fornecer a discriminação do comprimento de onda (quando necessário) para garantir o laser na linha de 1617 nm.

3 Resultados e discussão

  No limiar para a oscilação do laser, o ganho de ida e volta deve ser igual à perda fracionária da cavidade do laser,

sg N eu = -[registro e (1 - T)+ registro e (1 - eu)](1)

  onde σg é a seção transversal do ganho, N é a concentração de doping de íons ativos, l é o comprimento do meio de ganho, T é a transmissão do acoplador de saída e L é a perda da cavidade de ida e volta (excluindo a perda do acoplamento de saída) . A seção transversal do ganho depende das seções transversais efetivas de emissão e absorção (σe e σa) para a transição e nas densidades populacionais, N2 e N1, no coletor superior (4I13 / 2) e no coletor inferior (4I15 / 2) respectivamente através da relação [4]:

sg = bse - (1- b)suma(2)

  onde o parâmetro de inversão β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N na ausência de conversão de transferência de energia. Para aplicar o laser na linha de 1617 nm, é necessário que o ressonador seja configurado de modo que o limite para a operação de 1617 nm seja menor do que para qualquer outra das transições de laser de 4I13 / 2 a 4I15 / 2. Normalmente, a linha de 1645 nm tem o limiar mais baixo devido ao seu caracter mais fraco de três níveis (isto é, secção transversal de absorção efectiva inferior), embora a transição de 1617 nm tenha uma secção transversal de emissão efectiva muito mais elevada. No entanto, isso deixa em aberto duas opções de seleção de comprimento de onda. A primeira e mais óbvia abordagem é usar a discriminação por perda (por exemplo, um etalon intracavitário) para selecionar a linha de 1617 nm. A segunda e talvez a abordagem mais simples é explorar o fato de que a seção transversal de ganho, σg aumenta mais rapidamente com o parâmetro de inversão, β para a linha de 1617 nm do que para a linha de 1645 nm (ver Fig. 3). O resultado líquido é que em altas densidades de inversão a seção transversal de ganho em 1617 nm é maior

Fig. 3. Secções cruzadas de ganho calculadas a 1617 nm e 1645 nm em função do parâmetro de inversão da população.

do que a 1645 nm. À temperatura ambiente (300 K), isso requer que pelo menos 35% dos íons Er3 + sejam excitados no coletor 4I13 / 2. Na prática, isso pode ser conseguido simplesmente aumentando o limite usando um acoplador de saída de transmissão muito maior, sem a necessidade de componentes intracavitários seletivos de comprimento de onda adicionais.

  Experiências preliminares foram conduzidas usando a haste Er: YAG com 0,5% de dopagem e usando o etalon intracavitário para selecionar a operação de 1617 nm. Os resultados da potência de saída do laser em função da potência da bomba incidente para três diferentes acoplamentos de saída (10, 20 e 30%) são mostrados na Fig. 4 (a). Também, para comparação, a potência de saída para operação a 1645 nm versus potência de bombeamento (ou seja, sem o etalon presente na cavidade) também é mostrada. Pode ser visto que a potência do laser aumenta com a transmissão do acoplador de saída a 1617 nm. No entanto, as potências de saída em 1617 nm são um pouco menores do que em 1645 nm. Além disso, há uma queda muito pronunciada na potência de saída em 1617 nm, à medida que a potência da bomba é aumentada além de ~ 60 W, em contraste com a situação em 1645 nm. A Figura 4 (b) mostra o desempenho de 1617 nm com uma transmissão de acoplamento de saída de 50%. Neste caso, um etalon não foi necessário. A potência limite da bomba era de ~ 5,2 W e a eficiência da inclinação em relação à potência da bomba incidente era de ~ 42% até uma potência de bombeamento de ~ 45 W. Com maior potência da bomba, a potência de saída rola muito rapidamente. 16 W. Isso é consideravelmente menor do que para o mesmo ressonador com transmissões de acoplamento de saída de 20% e 30%. Atribuímos o rollover no poder em 1617 nm ao caráter de três níveis mais pronunciado (ou seja, aumento da perda de reabsorção) devido a um aumento na temperatura resultante do aumento da carga térmica em altas potências da bomba. A situação é ainda mais exacerbada pela conversão de transferência de energia, que atua para aumentar ainda mais a carga de calor quando operando em altas densidades de excitação. Isto é evidente a partir da rolagem mais dramática na potência do laser com uma transmissão de acoplamento de saída de 50%.

Fig. 4. Potência de saída versus potência da bomba incidente para o laser Er: YAG com nível de dopagem de 0.5 at.%

(a) utilização de acopladores de saída com transmissões de 10%, 20% e 30%. (Os símbolos sólidos representam uma operação de 1617 nm com um etalon e os símbolos abertos representam uma operação de 1645 nm).

b) Potência de saída a 1617 nm com transmissões de acoplamento de saída de 20%, 30% (com etalon) e 50% (sem etalon).

  Repetimos o experimento com hastes Er: YAG com níveis de dopagem de 0,25% e 1,0%, usando o acoplador de saída de transmissão de 50%. A Figura 5 (a) mostra a potência de saída como uma função da potência da bomba para os três níveis de dopagem usados ​​em nosso estudo. A densidade de carga térmica, e portanto o aumento de temperatura na haste dopada com 0,25%, é pelo menos um fator-de-dois menor do que a haste dopada com 0,5%, devido à menor concentração de dopagem e perdas reduzidas de conversão. Como conseqüência, não observamos nenhum deslocamento na potência de saída até a potência máxima disponível da bomba de 75 W. Em contraste, a haste dopada com 1,0%, tem uma densidade de carga térmica muito maior e, portanto, aumento de temperatura e, como esperado, o laser teve um desempenho muito pior, atingindo uma potência de saída máxima de apenas 3 W. Estes resultados confirmam nossa afirmação de que o rollover na energia é devido ao aumento do comportamento de três níveis devido à carga térmica e é exacerbado pela conversão de transferência de energia. Assim, o uso de baixos níveis de dopagem Er3 + em conjunto com o gerenciamento térmico efetivo é crucial para o escalonamento de potência na transição de 1617 nm nos modos de operação de onda contínua e Q-switched.

Fig. 5. Er: potência de saída do laser YAG a 1617 nm versus potência da bomba

 (a) diferentes níveis de dopagem Er3 + usando um acoplador de saída com 50% de transmissão

e (b) um desenho de cavidade otimizado usando 0,25 a. % cristal.

  A Figura 5 (b) mostra a potência de saída a 1617 nm em relação à potência da bomba para um projeto de ressonador otimizado usando a haste de 0,25 a% Er: YAG. Neste caso, os dois espelhos de raio de curvatura de 100 mm foram substituídos por espelhos com raio de curvatura de 150 mm e o comprimento do ressonador foi ajustado para obter um raio de cintura de feixe TEM00 maior calculado de ~ 100mm e, portanto, uma melhor sobreposição espacial com a região bombeada. A potência limite da bomba foi de ~ 4,1 W e a eficiência da inclinação em relação à potência da bomba incidente foi de ~ 47%. Não houve capotamento na potência de saída até a potência máxima disponível da bomba e o laser produziu uma potência máxima de saída de 31 W a 1617 nm em um feixe com M2»2,2 para 72 W de potência da bomba incidente.

4. resumo

  A operação de lasers Er: YAG bombeados híbridos em banda a 1617 nm em níveis de potência altos em modos de operação de onda contínua ou Q-switched é muito mais desafiadora do que para operação na linha mais familiar de 1645 nm. Nossos resultados sugerem que o carregamento térmico devido ao aquecimento e conversão de energia de transferência quântica e o aumento associado na temperatura e perda de reabsorção de nível mais baixo é o principal motivo. Concluímos que o uso de um baixo nível de dopagem Er3 + e um gerenciamento térmico efetivo são vitais para a escala de energia nesta transição. Usando essa estratégia simples de escalonamento de energia, demonstramos o laser Er: YAG, bombeado por um laser de fibra Er, Yb de alta potência a 1532 nm, com uma potência de saída de onda contínua de 31 W a 1617 nm para 72 W de potência de bomba incidente. e com uma eficiência de inclinação correspondente de 47%. O escalonamento adicional da potência de saída e extensão para o modo de operação Q-switched pode se beneficiar do uso de níveis ainda mais baixos de dopagem de érbio.

Agradecimentos

  Este trabalho foi financiado pelo Centro de Tecnologia de Defesa Electromagnética Sensoriamento Remoto (EMRS), estabelecido pelo Ministério da Defesa do Reino Unido.