Твердотельные лазеры ближнего ИК-диапазона с диодной накачкой Текст научной статьи по специальности «Физика»

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2015, том 25, № 4, с. 67-70 РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ =

УДК 621.373.826

© М. О. Искандаров, А. А. Никитичев, М. А. Свердлов, А. Л. Тер-Мартиросян

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА

С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

В работе сообщается о создании опытных образцов твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, излучающих в ближней ИК-области спектра: 1.06 мкм на кристалле Nd:YAG и 1.57 мкм на базе параметрического преобразования частоты излучения в кристаллах КТР. Выходная энергия лазеров составляет 80 мДж в области 1.06 мкм и 25 мДж в области 1.57 мкм, длительность импульса — 10 нс, частота повторения импульсов — до 25 Гц. Лазеры унифицированы по питанию, управлению и габаритным размерам, устойчивы к внешним воздействиям.

Кл. сл.: твердотельный импульсный лазер, диодная накачка, параметрическое взаимодействие

ВВЕДЕНИЕ

Переход информационных лазерных систем, работающих на горизонтальных трассах, в область спектра 1.5 мкм оправдан не только безопасностью лазерного излучения для глаз, но и повышением потенциала лазерной системы. Излучение 1.5 мкм диапазона спектра характеризуется меньшей величиной рассеяния и поглощения в приземных слоях атмосферы. Энергия лазера в области 1.5 мкм, необходимая для решения задачи, в 5-8 раз меньше, чем в области 1 мкм [1].

При работе на вертикальных и наклонных трассах более эффективным оказывается использование неодимовых лазеров, излучающих на длине волны 1.06 мкм. На высотах более 0.5 км потери излучения в атмосфере снижаются [2] и с учетом невысокой эффективности параметрического преобразования излучения в область спектра 1.5 мкм (около 30 %) непосредственное использование излучения неодимового лазера становится предпочтительным с точки зрения требований к выходной

энергии, уменьшения мощности и стоимости полупроводниковых источников накачки.

В работе [3] мы сообщали о создании опытного образца малогабаритного твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой для дальномера, работающего в безопасной для глаз области спектра (1.57 мкм). В настоящей работе сообщается о создании опытных образцов твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, излучающих в ближней ИК-области спектра: 1.06 мкм на кристалле Nd:YAG и 1.57 мкм на базе параметрического преобразования частоты излучения не-одимового лазера в кристаллах КТР.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Структурная схема лазера с параметрическим преобразованием частоты излучения в область спектра 1.57 мкм показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема излучателя.

Условные обозначения на схеме: 1, 8 — зеркала резонатора; 2 — юстировочные клинья; 3 — электрооптический затвор; 4 — поляризатор; 5 — поворотные зеркала; 6 — активный элемент YAG:Nd3+; 7 — оптический отражатель; 9 — зеркала резонатора параметрического генератора света; 10 — нелинейные кристаллы КТР; 11 — выходное окно

68

М. О. ИСКАНДАРОВ, А. А. НИКИТИЧЕВ, М. А. СВЕРДЛОВ, А. Л. ТЕР-МАРТИРОСЯН

Рис. 2. Внешний вид лазерной линейки (а) и лазерной матрицы (б)

Оптический резонатор Nd:YAG лазера образован глухим зеркалом 1 и выходным зеркалом 8. Резонатор включает в себя юстировочные клинья 2, электрооптический затвор 3, поляризатор 4, поворотные зеркала 5, активный элемент 6 из кристалла YAG:Nd3+, находящийся в моноблочном оптическом отражателе 7. Параметрический преобразователь излучения в область 1.57 мкм, выполненный в виде отдельного узла, включает кольцевой резонатор 9 и нелинейные кристаллы КТР 10. Выходное окно 11 служит для герметизации объема излучателя.

Для накачки активного элемента лазера используются две лазерные матрицы, излучающие на длине волны 807 нм с оптической мощностью 2 250 Вт при длительности импульса 250 мкс и частоте 25 Гц, разработанные специально для данного класса излучателей. Каждая матрица состоит из 18 лазерных линеек с оптической мощностью 125 Вт, изготовленных из InAlGaAs гетеро-структуры, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Фотографии лазерной линейки и лазерной матрицы приведены на рис. 2. Ватт-амперная характеристика, зависимость КПД от тока накачки и спектр генерации лазерной матрицы приведены на рис. 3.

Выходная энергия лазера на длине волны 1.06 мкм составляет 80 мДж, на длине волны 1.57 мкм — 25 мДж; длительность импульса 10 нс; частота повторения импульсов до 25 Гц. Диаметр выходного излучения составляет 5 мм, расходимость излучения лазера на длине волны 1.06 мкм 2 мрад, на длине волны 1.57 мкм 4 мрад. Лазеры унифицированы по питанию, управлению и габаритным размерам.

Общий вид излучателя с параметрическим преобразованием частоты излучения в область спектра 1.57 мкм показан на рис. 4. Излучатель имеет герметичный корпус, внутренний объем заполнен сухим азотом. Термостабилизация диодных линеек и активного элемента осуществляется термоэлектрическими модулями. Модули обеспечивают непрерывную работу излучателя с частотой повторения импульсов 25 Гц в интервале температур окружающей среды от - 55 до + 55 °С. Конструкция излучателя обеспечивает устойчивость к механическим воздействиям (многократный удар с ускорением 15 g длительностью 2 мс, синусоидальная вибрация с ускорением 3 g в диапазоне 10-400 Гц). Габаритные размеры излучателей с радиатором охлаждения составляют: излучатель с длиной волны 1.06 мкм — 250*112x100 мм, излучатель с длиной волны 1.57 мкм — 300*112*100 мм.

3000^ 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 О

2

г

лазерная матрица Р=2250 Вт. /=250 мкс. I =25 Гц

О 10 ?0 30 4(1 50

70 Тпк А

90 1ПО 110 190 130 140

802 803 804 805 806 807 808

Длина Волны, нм

Й1П Й11

Рис. 3. Ватт-амперная характеристика и зависимость КПД от тока накачки лазерной матрицы (а), спектр генерации лазерной матрицы (б)

б

а

а

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

69

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданы опытные образцы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, излучающие в ближней ИК-области спектра: 1.06 мкм на кристалле Nd:YAG и 1.57 мкм на базе параметрического преобразования частоты излучения в кристаллах КТР. Выходная энергия лазеров составляет 80 мДж в области 1.06 мкм и 25 мДж в области 1.57 мкм, длительность импульса 10 нс, частота повторения импульсов до 25 Гц. Лазеры унифицированы по питанию, управлению и габаритным размерам.

Лазеры разработаны для использования в составе дальномеров ближнего ИК-диапазона, способны работать в диапазоне температур от -55 до +55 °С, имеют воздушное охлаждение, герметичный корпус, устойчивы к механическим воздействиям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stepanov A.I., Nikitichev A.A., Iskandarov M.O. Solidstate diode pumped eye-safe lasers in remote sensing and ecological monitoring systems // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4900. P. 1085-1089. doi: 10.1117/12.484506.

2. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.

3. Искандаров М.О., Никитичев А.А., Свердлов М.А., Тер-Мартиросян А.Л. Твердотельный лазер безопасного для глаза спектрального диапазона с диодной накачкой // Научное приборостроение. 2015. Т. 25, № 3. С. 124-126. doi: 10.18358/np-25-3-i124126.

ООО "Квантовая оптика ", г. Санкт-Петербург

(Искандаров М. О., Никитичев А.А.)

ЗАО "Полупроводниковые приборы ", г. Санкт-Петербург (Свердлов М.А., Тер-Мартиросян А.Л.)

ФГАОУВО "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"

(Тер-Мартиросян А.Л.)

Контакты: Тер-Мартиросян Александр Леонович, [email protected]

Материал поступил в редакцию: 29.07.2015

ISSN 0868-5886

NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2015, Vol. 25, No. 4, pp. 67-70

DIODE-PUMPED SOLID-STATE LASERS NEAR IR RANGE

M. O. Iskandarov1, A. A. Nikitichev1, M. A. Sverdlov2, A. L. Ter-Martirosyan23

lLtd "Quantum Optics", Saint-Petersburg, Russia 2JSC "ATC-Semiconductor Devices", Saint-Petersburg, Russia 3ITMO University, Saint-Petersburg, Russia

A prototype models of diode-pumped solid state laser emitting in near IR spectral range has been developed: 1.06 ^m on crystal Nd:YAG and 1.57 ^m on the base of parametric frequency conversion of laser radiation on crystal KTP. Laser output energy of 80 mJ at wavelength 1.06 ^m and 25 mJ at wavelength 1.57 ^m, pulse duration of 10 ns and repetition rate up to 25 Hz were obtained. Lasers are unified by the power supply, control and overall dimensions, resistant to external factors.

Keywords: Q-switched solid-state laser, diode pumping, parametric interaction

REFERENCES

Stepanov A.I., Nikitichev A.A., Iskandarov M.O. Solidstate diode pumped eye-safe lasers in remote sensing and ecological monitoring systems. Proc. SPIE, 2002, vol. 4900, pp. 1085-1089. doi: 10.1117/12.484506. Zuev V.E., Krekov G.M. Opticheskie modeli atmosfery [Optical models of the atmosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1986. 256 p. (In Russ.).

3. Iskandarov M.O., Nikitichev A.A., Sverdlov M.A., Ter-Martirosyan A.L. [Diode pumped solid state eye safe laser]. Nauchnoe Priborostroenie [Science Instrumentation], 2015, vol. 25, no. 3, pp. 124-126. doi: 10.18358/np-25-3-i124126 (In Russ.).

Contacts: Ter-Martirosyan Aleksandr Leonovich, [email protected]

Article received in edition: 29.07.2015