Исследование спектральных характеристик излучения лазера на кристалле Cr2+: ZnSe в селективном резонаторе

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»

Радиофизический факультет Кафедра квантовой радиофизики Специальность «Радиофизика и электроника»

Курсовая работа

Исследование спектральных характеристик излучения лазера на кристалле Cr2+:ZnSe в селективном резонаторе

Научный руководитель:

Савикин А. П.

Студент гр.451:

Горюнов П. С.

Нижний Новгород

2011;2012

• Введение
• Поликристалл
• Схема лазера
• Селективный резонатор с фильтром Лио
• Селективный резонатор с эталоном Фабри-Перо
• Селективный резонатор с призмой
• Список литературы

лазер кристалл резонатор

В физике, медицине, экологии, промышленности и других областях существует ряд задач, для которых необходим мощный компактный источник лазерного излучения в инфракрасном диапазоне с возможностью перестройки длины волны генерации. В спектроскопии такой источник может быть особенно полезен. Проверка наличия веществ, их концентрации и пропорций в смеси возможна по спектральным линиям поглощения этих веществ. Для подобных целей может быть использован перестраиваемый лазер на основе поликристалла селенида цинка, легированного двухвалентными ионами хрома. В него попадают интенсивные колебательно-вращательные линии поглощения большинства молекул. По этой причине создание лазера довольно интересно с практической стороны. В ходе работы такой лазер был собран. Целью работы было исследовать спектральные характеристики перестраиваемого лазера на поликристалле и определение характеристик селекторов. В качестве селекторов использовались: призма, ИФП и фильтр Лио.

Поликристалл

Образцы Cr2+:ZnSe были отполированы с двух сторон и проанализированы методом ИК Фурье-спектроскопии. Все образцы имели полосу поглощения с максимумом в области 1,77 мкм; концентрация ионов Cr2+ была на уровне 1018 ат/см3. [1]

Этот материал является одним из наиболее удобных для создания перестраиваемого лазера в диапазоне 2 — 3 мкм. Он имеет широкие полосы поглощения и генерации. Зависимость сечений поглощения и излучения кристалла от длины волны представлена двумя графиками на Рис. 1.

Рис. 1 [1]

Поглощение кристалла находится в диапазоне длин волн: 1500 — 2100 нм, наиболее сильное поглощение происходит на 1800 нм. Перекрытие линий излучения и поглощения в области 1800−2200 нм приведёт к существенным потерям на рабочем переходе, что является ограничением диапазона перестройки лазера. Соответственно источник накачки рабочей среды перестраиваемого лазера выбирается с учетом этих особенностей. В данной работе для накачки использовался тулиевый лазер Tm: YLF (1.908 мкм).

Характеристики кристалла приведены в таблице:

Диаграмма энергетических уровней изображена на рис. 2.

Поскольку уровни 5T2 и 5E уширены за счет ион-фононных взаимодействий, то реализуемая схема генерации близка к четырехуровневой. Возбуждение происходит с уровня 5T2, на верхние колебательные подуровни состояния 5E, затем происходит быстрая колебательная релаксация по подуровням 5E. Лазерный переход 5E > 5T2 осуществляется на свободные колебательные подуровни состояния 5T2.

Спектр пропускания синтезированного образца Cr2+:ZnSe толщиной l=3.8 мм (уmax?8.7Ч10−19 см2, N0?1.8Ч1018 см-3) изображен на рис. 3 .

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровней Cr2+:ZnSe

Схема лазера

Важным элементом любой лазерной системы является система накачки рабочей среды. В данной работе для этой цели применялся тулиевый лазер с Г — образным резонатором (Рис. 3). Рабочая среда, монокристалл Tm: YLF, был расположен внутри медной оправы системы охлаждения. Для накачки кристалла Tm: YLF использовались две диодные линейки с оптической мощностью до 20 Вт и длиной волны 793 2 нм.

Излучение от диодных линеек направлялось к кристаллу Tm: YLF с помощью оптоволокна и фокусировалось на нем с двух сторон двумя конденсорами. Реализованная схема двусторонней накачки более эффективна чем односторонняя, т.к. позволяет повысить предельную мощность накачки и достичь большей инверсии населенностей без опасности разрушения кристалла, хотя при этом и усложняется конструкция резонатора.

Рис. 3. Схема Tm: YLF лазера накачки

Зеркала были подобраны таким образом, чтобы пропускать излучение накачки внутрь резонатора, и защищать диодные линейки от излучения кристалла тулия. Внутрь резонатора был помещен акустооптический модулятор и кварцевая пластина под углом Брюстера, обеспечивающая вертикальную поляризацию излучения на выходе. Акустооптический модулятор добротности позволял осуществлять генерацию в импульсном режиме с частотой следования импульсов 3 КГц и длительностью импульса — 1 мкс, без него генерации достигнуть не удалось.

Селективный резонатор с фильтром Лио

После сборки тулиевого лазера накачки, собиралась схема лазера, указанная на рис. 4. Tm: YLF лазер генерировал линейно поляризованное излучение с частотой 3 кГц на длине волны ~1908 нм, средней выходной мощностью ~ 8 Вт и длительностью импульсов генерации ~100 нс.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1- Tm: YLF лазер (1,908 мкм), 2 — система линз, 3 — дихроичное зеркало, 4 — активный элемент из, 5 — «глухое» зеркало, 6 — выходное зеркало, 7 — фильтр Лио.

Для обеспечения наибольшего коэффициента усиления, излучение Tm: YLF лазера (1) фокусировалось системой линз (2) внутрь активного элемента (4) через дихроичное зеркало (3). При этом диаметр пучка накачки в перетяжке был ~750 мкм. Резонатор формировался тремя зеркалами: плоским зеркалом (5) с высоким коэффициентом отражения на длинах волн 1,9−2,5 мкм, дихроичным зеркалом (3) с высоким отражением на длине волн генерации (~99% для вертикальной поляризации) и высоким пропусканием на длине волны накачки (~95%), и выходным сферическим зеркалом (6) с кривизной R~300 мм и коэффициентом пропускания на длине волны генерации ~80%. Для оптической развязки резонатор был расположен под небольшим углом к оси распространения накачки. Для уменьшения потерь и исключения факторов паразитной селекции, активный элемент был ориентирован под углом Брюстера.

Фильтр Лио (7) образовывался либо одной, либо несколькими пластинками из кристаллического кварца. Оправа с пластинами могла вращаться вокруг их геометрической оси. Пластины были зажаты в оправу, и устанавливались под углом Брюстера к направлению распространения излучения, при этом их грани выполняли роль поляризаторов. Эффективность поляризаторов оценивается, как отношение коэффициентов пропускания по мощности для ТЕ и ТМ волн:

При известных параметрах

,

степень поляризации одной грани будет: коэффициент пропускания

Этого оказалось вполне достаточно для создания фильтра.

В отсутствии фильтра был измерен спектр генерации лазера (рис. 6). Ширина линии генерации на уровне 0,5 в неселективном резонаторе имеет величину порядка 70 нм.

Рис. 6. Спектр свободной генерации Cr2+:ZnSe лазера.

Зависимость средней мощности генерации от мощности излучения лазера накачки изображена на рис. 7

Рис. 7. Зависимость средней мощности генерации лазера на Cr2+:ZnSe от мощности Tm: YLF — лазера накачки

При установке внутрь резонатора 6 мм кварцевой пластины, ширина линии генерации на уровне 0,5 уменьшилась до 4 нм в области 2,3 мкм с расстоянием между соседними максимумами 90 нм (Рис. 8). Это соответствует фактору резкости. Чтобы выделить один максимум, в фильтр устанавливалась еще одна кварцевая пластина толщиной 2 мм (Рис. 9). Для перестройки длины волны генерации держатель с пластинками вращался вокруг их геометрической оси. Крутизна перестройки составляла ~ 8.5 нм/градус (Рис. 10).

Рис. 8. Спектр генерации с одной кварцевой пластиной в фильтре Лио

Рис. 8. Спектр генерации с двумя кварцевыми пластинами в фильтре Лио

Рис. 10. Изменение спектра генерации лазера на поликристалле Cr: ZnSe и селективным резонатором на фильтре Лио

Селективный резонатор с эталоном Фабри-Перо

Рассмотрим принцип действия эталона. Длина волны л максимума пропускания m — го порядка эталона ФП толщиной t, с показателем преломления n и углом б между нормалью к поверхности эталона и оптической осью резонатора определяется выражением:

(1)

— угол преломления, .

Угловая дисперсия:

Спектральная ширина при расходимости пучка :

(2)

Сдвиг длины волны при повороте эталона на угол б положения, перпендикулярного оптической оси резонатора, даётся выражением:

Где л0 — длина волны при б = 0.

Расстояние между интерференционными максимумами эталона ФП

(3)

Спектральная ширина полосы излучения вблизи л0 определяется коэффициентом отражения R зеркал эталона ФП:

где фактор резкости. (4)

Фактор резкости является одной из основных характеристик эталона. Контраст интерференционных полос также определяется коэффициентом отражения зеркал интерферометра

(5)

Из этих соотношений можно определить спектральные характеристики лазерного излучения с селективным резонатором, а также сделать оценки параметров эталона ФП, которые требуются для получения узкой полосы генерации в заданной области спектра.

Недостатком селектора на базе эталона ФП являются большие неселективные потери

(Рис. 11.) Потери обусловлены тем, что световые пучки с длинами волн, не удовлетворяющими максимуму пропускания эталона, отражаются и тем самым не участвуют в выходном лазерном излучении.

Рис. 11. Зависимость выходной мощности Cr2+:ZnSe лазера от мощности накачки в неселективном резонаторе и в резонаторе с эталоном

В качестве эталона ФП в эксперименте была выбрана пластинка из кремния (Si), толщиной t = 450 мкм. Для л=2.3 мкм n = 3.4437 (Рис. 12), что определяет коэффициент отражения на поверхности пластинки R? 0.302. Область свободной дисперсии, согласно выражению (3) Дл ?1.73 нм. Фактор резкости F?2.5. Контраст г?3.5. Ширина максимума пропускания эталона дл ?0.7 нм.

Рис 12. Зависимость показателя преломления кремния от длины волны

Из спектра генерации получаем экспериментальные значения выше описанных величин F=5.8 (Рис.13). Расстояние между спектральными максимумами Дл? 1.74 нм. Ширина линии максимума генерации дл? 0.3 нм. Интенсивность генерации в спектральных областях между максимумами Imin = 0.

Рис. 13. Спектр генерации лазера на поликристалле Cr: ZnSe с эталоном ФП

Сопоставляя экспериментальные результаты с оценками, можно сделать вывод, что величины коэффициента отражения R?0.3 достаточно для обеспечения 100% контрастности. Отношение Fэксп/Fтеор? 2.3, объясняющееся пороговым характером лазерной генерации, позволяет определять величину отражающих покрытий R эталона по требуемой ширине линии генерации.

Селективный резонатор с призмой

Дисперсионная (спектральная призма) служит для пространственного разделения излучений оптического диапазона на монохроматические составляющие, различающиеся длинами волн. Разделение лучей на монохроматические составляющие является результатом зависимости угла отклонения ц луча, прошедшего через призму (Рис. 14), от показателя преломления материала призмы n, различного для разных длин волн л. Качество призмы характеризуется угловой дисперсией, которая зависит от материала призмы, преломляющего угла A и угла падения б1. Также спектральная призма должна быть изготовлена из материала, прозрачного в исследуемой области спектра, обладающего высокой оптической однородностью и изотропностью. Одним из наиболее подходящих материалов призмы для перестройки спектра генерации Cr2+:ZnSe лазера является кварцевое стекло (SiO2). Кварцевое стекло (КИ) имеет высокий коэффициент внутреннего пропускания в диапазоне генерации Cr2+:ZnSe лазера (2−3 мкм) и обладает достаточно высокой дисперсией в данном диапазоне мкм-1 .

Рис. 14. Схема прохождения лучей при прохождении через дисперсионную призму в резонаторе. 1 — оптическая ось резонатора, 2 — призма, 3 — «глухое» зеркало, 4 — ось вращения зеркала

Для минимизации потерь на отражение Френеля на границах сред: воздух — стекло, стекло — воздух дисперсионный элемент располагался таким образом, чтобы углы б1 и б2 были близки к углу Брюстера (Рис. 14):

б1 ?б2?ИБр.=arctg (n)?55°, (5)

где б1 — угол между оптической осью резонатора и нормалью N1, б2 — угол между осью резонатора и нормалью N2 к поверхности призмы. Показатель преломления n кварцевого стекла составляет 1.437 для длины волны 2050 нм и 1.430 для 2400 нм. При этом выполнялось следующее условие для преломляющего угла A спектральной призмы:

(6)

где в1, в2 — углы между преломленными в призме оптическими лучами и нормалями N1, N2 к поверхностям соответственно. Угол ц, составленный падающим и выходящим лучами (угол отклонения) равнялся:

ц= б1+б2-A?38°. (7)

Рис. 15. Схема экспериментальной установки: 1- Tm: YLF-лазер, 2 — система линз, 3 — дихроичное зеркало 4 — активный элемент из Cr2+:ZnSe, 5 — кварцевая призма, 6 — «глухое» зеркало, 7 — выходное зеркало

Спектральная призма устанавливалась между активной средой Cr2+:ZnSe и «глухим» зеркалом в лазерный резонатор в вертикальной плоскости под углом Ипризм. (Рис. 13):

(8)

Ипризм. — угол между осью резонатора, лежащей в горизонтальной плоскости, и основанием дисперсионного элемента. Перестройка выходного излучения лазера на основе поликристаллического Cr2+:ZnSe осуществлялась в диапазоне длин волн 2050;2450 нм изменением угла поворота Изерк. «глухого» зеркала: Изерк.=90°- ц (Рис. 15). Внесение призмы приводило к незначительному увеличению порога генерации и к падению мощности на ~40%, что может быть объяснено неоптимальной геометрией призмы и поглощением внутри материала.

Рис. 16. Перестроечная кривая генерации Cr2+:ZnSe лазера с дисперсионным резонатором

Изменение угла поворота «глухого» зеркала резонатора Изерк. на одну угловую минуту соответствовало перестройке спектра генерации на 9 нм (Рис. 16) при ширине спектральной линии Дл=13 нм по уровню 0.5 (Рис. 17).

Рис. 17. Спектр генерации Cr2+:ZnSe лазера с дисперсионным резонатором

Рис. 18. Спектры генерации Cr2+:ZnSe лазера с дисперсионным резонатором при различных углах поворота перестроечного зеркала.

Снижение мощности генерации в районе 2200 — 2250 нм обусловлено провалом в спектре пропускания для данного материала призмы, состоящей из плавленого кварца (Рис.19).

Рис. 19. Спектр пропускания плавленого кварца

Список литературы

[1] Генерация на поликристаллическом Cr2+:ZnSe c накачкой излучением импульсно-периодического Tm: YLF-лазера

А.А. Андронов, С. С. Балабанов, Е. М. Гаврищук, О. Н. Еремейкин,

Н.Г. Захаров, А. П. Савикин, Н. А. Тимофеева, В.В. Шарков

[2] Nonlinear absorption investigation and laser-induced damage study.

Torrey J. Wagner Major, USAF. Department of the Air Force, Air Force institute of technology.

[3] High-Efficiency, Broadly Tunable Continuous-wave Laser.

Gregory J. Wagner and Timothy J. Carring

[4] G.J.Wagner, T.J.Carrig, R.H.Page, K.I.Schaffers, J.-O.Ndap, X. Ma, A. Burger //Continuous-wave broadly tunable Cr2+:ZnSe laser // Optics Letters, 24, № 1, 19−21 (1999).

[5] S. Kuck //Spectroscopy and laser characteristics of Cr2+ - doped chalcogenide crystals — overview and recent results // Journal of Alloys and Compounds, 341, 28₃₃ (2002).

[6] U. Demirbas, A. Sennaroglu //Intracavity-pumped Cr2+:ZnSe laser with ultrabroad tuning range between 1880 and 3100 nm // Optics Letters, 31, № 15, 2293−2295 (2006).

[7] I.S.Moskalev, V.V.Fedorov, S.B.Mirov //10-Watt, pure continuous-wave, polycrystalline Cr2+:ZnSe laser // Optics Express, 17, № 4, 2048;2056 (2009).