Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХМИКРОННЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в ближнем ИК-диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.

Для практических применений в медицине, а также для мониторинга газов (NH₃, CH₄ и др.) в атмосфере значительный интерес представляет лазерное излучение в диапазоне длин волн 1,9-2,2 мкм. В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы, активированные ионами Tm³⁺, Ho³⁺.

Из литературных источников известно, что на кристаллах YAG:Ho самая длинноволновая генерация излучения соответствует 2,12 мкм. [K.Scholle, S.Lamirini, P.Koopman and Peter Fuhrberg. Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics. P.674. 2010. INTECH. Crotia.]. Также известен волоконный лазер, генерирующий излучение на длине волны 2,21 мкм [С.О.Антипов, В.А.Камынин, О.И.Медведков, А.В.Маракулин, А.А.Минашин, А.С.Курков, А.В.Баранников. Квантовая электроника. 2013. Т.43. №7. С.603-604].

Однако следует заметить, что недостатками волоконных лазеров по отношению к твердотельным лазерам являются возможность возникновения в волокне оптических нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объемом активного вещества.

Поэтому, наряду с созданием волоконных лазеров, генерирующих излучение в области длин волн 2,1-2,2 мкм, актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.

Известен оптический квантовый генератор, генерирующий излучение на длине волны 2,1 мкм, содержащий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из, по крайней мере, двух зеркал. В качестве активной среды использован кристалл YAG:Ho или YLF:Ho, а в качестве источника оптической накачки использован лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,9 мкм (US 5315608, US 07/916.467, опубл. 24.05.1994).

Недостатком известного решения является невозможность генерации лазерного излучения в спектральном диапазоне выше 2,15 мкм, так как в диапазоне длин волн выше 2,15 мкм интенсивность в спектре люминесценции, обусловленном переходом ⁵I₇→⁵I₈ ионов Hо³⁺ в кристаллах YAG:Ho или YLF:Ho, близка к 0.

Технический результат заключается в создании твердотельного лазера с длиной волны лазерной генерации 2,17 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухмикронном твердотельном лазере, включающем резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер, при этом резонатор сформирован из двух зеркал, в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺. В качестве источника оптической накачки использован лазер на кристалле YLiF₄:Tm, генерирующий излучение на длине волны 1,905 мкм.

Технология получения кристаллов стабилизированного иттрием диоксида циркония, активированного редкоземельными ионами, в настоящее время в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества.

На фиг.1 показана оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера.

На фиг.2 - показан импульс лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.

На фиг.3 - спектр лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.

Оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера (фиг.1) содержит резонатор, включающий входное зеркало 1 и выходное зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺ (ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃). В качестве источника накачки использован твердотельный лазер 4 на кристалле YLiF₄:Tm с длиной волны излучения 1,905 мкм. Перед входным зеркалом 1 установлен обтюратор 5.

Лазер работает следующим образом. Накачка активного элемента осуществлялась на уровень ⁵I₇ ионов Ho³⁺ твердотельным лазером на кристалле YLiF₄:Tm 1 с длиной волны излучения 1,905 мкм. Для снижения тепловой нагрузки на активный элемент использовался обтюратор 5, формирующий импульсы накачки длительностью 30 мс с частотой повторения ~3 Гц.

Активная среда 3 в виде элемента размером 3×3×20 мм, вырезанного из кристалла 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃, на торцы которого нанесено просветляющее покрытие на длину волны генерации (λ_ген~2,15 мкм). Излучение лазера накачки фокусировалось в активном элементе с помощью линзы 6. Диаметр перетяжки составлял 300 мкм. В эксперименте использовался конфокальный резонатор, образованный плоским зеркалом 1, коэффициент пропускания в области накачки ≥60%, коэффициент отражения на длине волны генерации более 99%, и сферическим выходным зеркалом 6 с коэффициентом пропускания на длине волны генерации менее 1% с радиусом кривизны рабочей поверхности 100 мм. Система термостабилизации обеспечивала поддержание температуры медной оправки активного элемента ~18°C. Осциллограммы импульса лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ и импульса возбуждения, полученные с помощью цифрового осциллографа GDS 720C, представлены на фиг.2. Лазерная генерация на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ в кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ была получена на длине волны 2,17 мкм. Порог генерации составил 380 мВт по поглощенной мощности накачки.

Спектр лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ показан на фиг.3.

По сравнению с известными решениями предлагаемое изобретение позволяет создавать твердотельные лазеры с длиной волны генерации 2,17 мкм.