Перестраиваемый лазер. Введение

Перестраиваемый лазер. Введение

Перестраиваемый лазер — лазер, длина волны излучения которого может изменяться в спектральном диапазоне, ширина которого существенно больше ширины линии излучения лазера. Далеко не все лазеры имеют такую возможность. Перестраиваемые лазеры могут быть твердотельными, жидкостными, волоконными, полупроводниковыми, гибридными и т. д. Наибольшие области спектральной перестройки линии излучения имеют твердотельные лазеры: титан-сапфировый лазер (690—1100 нм), Cr: ZnSe лазер (1970—2760 нм), Fe: ZnSe лазер (3950-5050 нм), и жидкостные лазеры: лазер на красителях (400—700 нм).

Компактные перестраиваемые твердотельные лазеры, работающие в среднем ИК диапазоне спектра, представляют интерес для значительного круга практических применений, таких как контроль за состоянием окружающей среды, основанные на спектральном анализе методы медицинской диагностики, безопасная для зрения лазерная локация, оптическая связь и ряд других.

В данной работе представлены исследования лазерных характеристик монокристалла Cr ²⁺: CdSe, выращенного из паровой фазы с одновременным легированием, при накачке длинными (~ 300 мкс) импульсами, а также возможности получения более высокой выходной энергии Cr²⁺: CdSe-лазера и расширения диапазона перестройки его длины волны.

1 Принцип работы лазера и обоснование выбора основных элементов его схемы

Оптическая схема установки на которой были проведены две серии экспериментов, представлена на рисунке 1.

З1 – сферическое зеркало; З2 – плоское выходное зеркало; К1, К2 – калориметры; Ф1, Ф2 – фотоприемники

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

В первой серии изучалась зависимость эффективности генерации и пороговой энергии накачки Cr ²⁺: CdSe-лазера с неселективным резонатором от пропускания выходного зеркала. В этом случае резонатор лазера имел длину 125 мм и был образован сферическим (радиус кривизны R = 200 мм) зеркалом З1 и плоским выходным зеркалом З2, пропускание которого в окрестности длины волны 2,65 мкм варьировалось в широких пределах. Пропускание зеркала З1 не превышало 0,3 %.

Во второй серии экспериментов изучался диапазон спектральной перестройки лазера с дисперсионным резонатором. В этом случае длина резонатора составляла 140 мм, а в качестве заднего зеркала З1 использовалось алюминиевое зеркало с R = 500 мм. Диапазон перестройки лазера перекрывался с помощью четырех плоских выходных зеркал, спектральные характеристики которых представлены ниже. Дисперсионным элементом служила призма из CaF₂ с преломляющим углом 70,3°, размещенная в резонаторе вблизи зеркала З1.

Активный элемент лазера был установлен вблизи выходного зеркала под углом Брюстера относительно оптической оси резонатора и ориентирован так, что оптическая ось кристалла Cr²⁺: CdSe лежала в плоскости падения лазерного пучка на поверхность активного элемента. Это сводило к минимуму влияние двулучепреломления кристалла на его генерацию.

Оптическая накачка кристалла Cr²⁺: CdSe осуществлялась излучением импульсного Тm: YAP-лазера с длиной волны λ = 1.94 мкм, возбуждаемого светом лазера на рубине с ламповой накачкой (  = 0.694 нм), работавшего в режиме свободной генерации. Прошедшее через кристалл Тm: YAP излучение лазера на рубине отсекалось с помощью фильтра, в качестве которого использовалось дихроичное зеркало, имевшее близкий к 100 % коэффициент отражения на λ = 0.694 мкм и пропускание 87 % на λ = 1,94 мкм. Максимальная выходная энергия Тm: YAP-лазера достигала 100 мДж, его излучение было линейно поляризовано в горизонтальной плоскости (плоскость падения на кристалл Cr²⁺: CdSe), что сводило к минимуму потери излучения накачки на френелевское отражение от его граней. Накачка кристалла осуществлялась под углом ~ 5° к оптической оси резонатора, что облегчало измерение энергии прошедшего через кристалл Cr²⁺: CdSe излучения накачки. Кроме того, такая схема предотвращала разрушающее воздействие излучения накачки на зеркала резонатора Cr²⁺: CdSe-лазера. Пучок накачки фокусировался на кристалл сферическим алюминиевым зеркалом З3 с фокусным расстоянием 250 мм. Пятно накачки на входе в кристалл имело сечение в виде слегка вытянутого в вертикальном направлении эллипса площадью 0,6 мм².

В оптической схеме была предусмотрена возможность измерения энергий как падающего на кристалл Cr²⁺: CdSe, так и прошедшего через него излучения накачки, что позволяло по их разности надежно определять поглощенную кристаллом энергию накачки непосредственно в процессе генерации. Для этой цели использовались калориметры К1 и К2 (ИМО-2Н). Выходная энергия Cr ²⁺: CdSe-лазера измерялась калориметром КЗ (ВЧД-2).

Регистрация формы импульсов накачки и генерации осуществлялась фотоприемниками Ф1 и Ф2 (фотодиоды PD48 Mid-infrared optoelectronics IBSG), сигналы с которых подавались на осциллограф Tektronix TDS1012B. Длина волны генерации измерялась дифракционным монохроматором с теоретической разрешающей способностью 0,3 нм.

Кроме того, в дополнительной серии экспериментов накачка Cr ²⁺: CdSe-лазера осуществлялась вдоль оптической оси его резонатора. С этой целью оптическая схема установки была несколько видоизменена, о чем подробнее будет сказано ниже.

Все эксперименты с Cr²⁺: CdSe-лазером проводились при комнатной температуре.