Hochleistungs-In-Band-gepumpter Er: YAG-Laser bei 1617 nm

  Zusammenfassung: Es wird berichtet, dass ein Er: YAG-Laser bei 1617 nm In-Band-gepumpter Er-Yb-Faserlaser bei 1532 nm mit hoher Leistung bei Raumtemperatur arbeitet. Der Er: YAG-Laser lieferte 31 W Dauerleistung in einem Strahl mit M2»2,2 für 72 W einfallende Pumpenleistung. Die Schwellenpumpenleistung betrug 4,1 W und der Steigungswirkungsgrad in Bezug auf die einfallende Pumpenleistung betrug ~ 47%. Der Einfluss des Erbiumdotierungsniveaus und des Resonatordesigns auf die Laserleistung wird diskutiert, und die Aussichten für eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Verbesserung der Lasereffizienz werden betrachtet.

  2008 Optical Society of America

  OCIS-Codes: (140.0140) Laser und Laseroptik; (140.3070) Infrarot- und Ferninfrarotlaser; (140.3500) Laser, Erbium; (140.3510) Laser, Faser; (140.3580) Laser, Festkörper.

 1. Einleitung

  Laserquellen, die im augensicheren Wellenlängenbereich zwischen 1,5 und 1,6 arbeitenmEs gibt zahlreiche Anwendungen, einschließlich Fernerkundung, Entfernungsmessung und Freiraumkommunikation. Das direkte (Inband-) Pumpen von Er: YAG mit einem Er-, Yb-Faserlaser [1-6] oder einem Diodenlaser [7-9] entwickelt sich aufgrund der Aussicht rasch als einer der vielversprechendsten Wege zu diesem Wellenlängenbereich einer hohen durchschnittlichen Ausgangsleistung sowohl im Dauerstrich (cw) als auch im gütegeschalteten Betriebsmodus. Die Verwendung eines faserbasierten Pumplasers ist besonders attraktiv, da er die Verwendung von Er: YAG-Kristallen mit niedrigen Erbiumionenkonzentrationen ermöglicht, um den nachteiligen Einfluss der Energieumwandlung (ETU) auf die Laserleistung zu minimieren [10] und dies zu vermeiden Bedarf an kryogener Kühlung, um hohe Lasereffizienzen zu erreichen [8]. Eine der Hauptattraktionen des Hybrid-Fiber-Bulk-Laser-Ansatzes ist die sehr geringe Erwärmung des Quantendefekts im Bulk-Lasermedium, was die Leistungsskalierung in einer Lasergeometrie erheblich vereinfacht, die auch das Potenzial für hohe Pulsenergie im gütegeschalteten Modus bietet. Dieser Ansatz wurde erfolgreich auf Er-dotierte und Ho-dotierte Laser angewendet, die im Wellenlängenbereich von ~ 1,6 und ~ 2,1 µm arbeiten. In einer aktuellen Arbeit haben wir Hybridlaser auf der Basis von Er: YAG mit > 60 W des cw-Ausgangs [1] und mit > 15 mJ Impulsenergie im gütegeschalteten Modus am 4ich13/2 ® 4ich15/2

 Übergang bei 1645 nm [2,10]. Für einige Fernerkundungs- und Entfernungsanwendungen ist diese Betriebswellenlänge jedoch etwas unpraktisch, da einige atmosphärische Absorptionslinien aufgrund von Methan in sehr enger Nachbarschaft liegen, was eine sorgfältige Auswahl und Steuerung der Laserwellenlänge erforderlich macht. Er: YAG weist auch bei 1617 nm einen Übergang zwischen demselben oberen und unteren Krümmer auf (siehe Abb. 1), der in einem Bereich des Spektrums liegt, in dem keine atmosphärischen Absorptionslinien vorhanden sind. Dieser Übergang profitiert von einem höheren Emissionsquerschnitt, hat aber einen viel ausgeprägteren dreistufigen Charakter, der erfordert, dass ~ 14% der Er3 + -Ionen zum oberen Krümmer angeregt werden, um eine Transparenz zu erreichen, verglichen mit ~ 9% für den 1645-nm-Übergang. Infolgedessen ist die Schwellwertpumpenleistung für den Betrieb bei 1617 nm im Allgemeinen viel höher als für den Betrieb bei 1645 nm, weshalb Standard-Resonatorkonfigurationen normalerweise bei 1645 nm liegen. Der Betrieb von Er: YAG bei 1617 nm wurde entweder durch Verwendung zusätzlicher Komponenten zur Bestimmung der Wellenlänge innerhalb des Hohlraums (z. B. Etalons) [5,6] zur Unterdrückung der Linie bei 1645 nm oder durch Arbeiten bei kryogenen Temperaturen erreicht, bei denen der Reabsorptionsverlust bei 1617 nm lag ist drastisch reduziert [8]. In beiden Fällen liegen die höchsten gemeldeten Durchschnittsleistungen unter < 6 W unter Verwendung der Wellenlängenunterscheidung [6] und < 0,32 W für Quasi-Cw-Betrieb bei 78 K [8]. Hier berichten wir über die Ergebnisse einer experimentellen Studie über den 1617-nm-Betrieb von Hybrid-Er: YAG-Lasern bei hohen Pumpleistungen und diskutieren, wie verschiedene Faktoren (einschließlich Er3 + -Dotiergrad und Hohlraumdesign) die Laserleistung beeinflussen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie und unter Verwendung einer einfachen Strategie zur Leistungsskalierung haben wir einen Er: YAG-Laser demonstriert, der im Band durch einen mit einem Mantel gepumpten Er, Yb-Faserlaser bei 1532 nm mit 31 W cw-Leistung bei 1617 gepumpt wird nm für 72 W einfallende Pumpleistung bei Raumtemperatur. Nach unserem besten Wissen ist dies die höchste bisher gemeldete cw-Ausgangsleistung für einen Er: YAG-Laser, der auf der 1617-nm-Linie betrieben wird.

Abb. 1. Er: YAG-Energieniveaudiagramm, das die Laserübergänge bei 1617 nm und 1645 nm zeigt.

  2.Experiment

  Die in unseren Experimenten verwendete hybride Er: YAG-Laserkonfiguration ist in Abb. 2 dargestellt. Der Er, Yb-Faserpumpenlaser wurde im eigenen Haus [11] konstruiert und umfasste eine Länge von 2,5 m einer Doppelmantelfaser mit einer Länge von 30mm Durchmesser (0,22 NA) Er, Yb-dotierter Phosphosilicatkern, umgeben von 400mm Durchmesser D-förmige Innenbeschichtung aus reinem Siliziumdioxid. Die Faser wurde mit einem Außenmantel aus fluoriertem Polymer mit niedrigem Brechungsindex (n = 1,375) beschichtet, was eine berechnete NA von 0,49 für die Pumpenführung des Innenmantels ergab. Der Betrieb am Absorptionspeak in Er: YAG bei 1532 nm wurde mit einer wellenlängenselektiven Rückkopplung erreicht, die durch einen externen Hohlraum bereitgestellt wurde, der ein Beugungsgitter (600 Linien / mm) in der Littrow-Konfiguration enthielt. Eine Kollimationslinse mit relativ langer Brennweite (120 mm) wurde in der äußeren Kavität verwendet, um sicherzustellen, dass die spektrale Selektivität des Gitters ausreichend war, um eine engere Laserbandbreite (~ 0,4 nm) als die Er: YAG-Absorptionsbandbreite (~ 4 nm) zu erreichen ). Eine Rückkopplung für das Lasern am gegenüberliegenden Ende der Faser wurde durch die etwa 3,6% ige Fresnel-Reflexion von einer senkrecht gespaltenen Facette bereitgestellt. Das Pumplicht wurde bei 976 nm durch zwei polarisationskombinierte Neunbar-Diodenpumpenmodule bereitgestellt. Der Ausgangsstrahl der kombinierten Pumpenmodule wurde mit einem Messerspiegel räumlich in zwei Strahlen mit ungefähr gleicher Leistung aufgeteilt, was das Pumpen der Er, Yb-Faser von beiden Enden aus ermöglichte. Auf diese Weise wurde die Wärmebelastung gleichmäßiger entlang der Faser verteilt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer thermisch induzierten Beschädigung der äußeren Polymerbeschichtung verringert wurde. Unter Verwendung dieser Anordnung ergab die Er, Yb-Faser eine maximale Ausgangsleistung von 120 W bei 1532 nm in einem Strahl mit M2 < 5 für ~ 440 W eingestellte Pumpleistung. Bei diesem Leistungsniveau war der Faserlaser anfällig für Beschädigungen. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, wurde der Laser mit Leistungswerten unter 75 W betrieben.

Für den Er: YAG-Laser wurde ein einfacher gefalteter Vierspiegel-Resonator eingesetzt. Dieser bestand aus einem ebenen Pumpeneingangskoppler mit hohem Reflexionsvermögen (> 99,8%) bei der Laserwellenlänge (1600-1650 nm) und hoher Durchlässigkeit (> 95%) bei der Pumpwellenlänge (1532 nm), zwei konkaven Spiegeln (R1) und R2) mit einem Krümmungsradius von 100 mm mit hohem Reflexionsvermögen (> 99,8%) sowohl bei den Laser- als auch den Pumpwellenlängen und einem ebenen Ausgangskoppler. Für unsere Studie standen verschiedene Ausgangskoppler mit Transmissionsraten von 10%, 20%, 30% und 50% bei der Laserwellenlänge zur Verfügung. Um den Einfluss der Er3 + -Konzentration auf die Leistung zu untersuchen, wurden drei Er: YAG-Stäbe mit Dotierungswerten von 0,25 at%, 0,5 at% und 1,0 at% und mit jeweiligen Längen von 58 mm, 29 mm und 15 mm eingesetzt. Die Kristalllängen wurden so gewählt, dass alle drei Kristalle bei niedrigen Pumpleistungen (d. H. In Abwesenheit von Bleichen im Grundzustand) annähernd die gleiche Pumpabsorptionseffizienz hatten. Letzteres wurde mit ~ 98% gemessen, was darauf hinweist, dass der Absorptionskoeffizient in Er: YAG für das Pumpen mit 1532 nm ~ 260 m-1 / at.% Beträgt. Beide Endflächen der Er: YAG-Stäbe waren für 1,5 bis 1,7 antireflexbeschichtetmm Wellenlängenbereich, der sowohl Pump- als auch Laserwellenlängen abdeckt.

Fig. 2. Schematische Darstellung des Er: YAG-Resonators. IC: Eingangskopplerspiegel

(AR bei 1532 nm und HR bei 1600-1700 nm). OC: Ausgangskopplerspiegel

 (Transmission (T) von 10%, 20%, 30% oder 50% bei 1600-1700 nm).

  Die Er: YAG-Stäbe warenmontiert in einem wassergekühlten Kühlkörper aus Aluminium, der nahe bei Raumtemperatur bei 17 ° C gehalten wird, und sich am Mittelpunkt des Resonatorarms befindet, der durch die zwei gekrümmten Spiegel (R1 und R2) definiert wird. Die physikalische Länge dieses Arms des Resonators betrug ~ 125 mm und die gesamte physikalische Länge des Resonators betrug ~ 365 mm, was zu einem berechneten TEM00-Taillenradius von ~ 80 führtemm. Der Einfallswinkel auf den gekrümmten Spiegeln wurde sehr klein gemacht (< 10 °), um Astigmatismus zu minimieren. Der Pumpstrahl des Er, Yb-Faserlasers wurde über den ebenen Eingangskoppler in den Resonator eingekoppelt und dann auf einen Taillenradius von ~ 75 fokussiertmm in der Er: YAG-Stange mit Hilfe des gekrümmten Spiegels R1. Ein unbeschichtetes Quarzglas-Etalon von 100mUm die Wellenlänge zu bestimmen, wurde (falls erforderlich) eine Dicke von m verwendet, um das Lasern auf der 1617-nm-Linie sicherzustellen.

3. Ergebnisse und Diskussion

  Bei der Schwelle für die Laseroszillation muss der Round-Trip-Gewinn daher dem Bruchverlust des Laserresonators entsprechen

sG N l = -[Log e (1 - T)+ Log e (1 - L)](1)

  wobei σg der Verstärkungsquerschnitt ist, N die aktive Ionendotierungskonzentration ist, l die Länge des Verstärkungsmediums ist, T die Transmission des Ausgangskopplers ist und L der Umlaufhohlraumverlust ist (ohne den Ausgangskopplungsverlust). . Der Verstärkungsquerschnitt hängt von den effektiven Emissions- und Absorptionsquerschnitten (σe und σa) für den Übergang und von den Bevölkerungsdichten N2 und N1 im oberen Krümmer (4I13 / 2) und im unteren Krümmer (4I15 / 2) ab. jeweils über die Relation [4]:

sG = bse - (1- b)sein(2)

  wobei der Inversionsparameter β = N2 / (N1 + N2) ≈ N2 / N in Abwesenheit einer Umwandlung von Energieübertragung. Um das Lasern auf der 1617-nm-Linie zu erzwingen, muss der Resonator so konfiguriert sein, dass der Schwellenwert für den 1617-nm-Betrieb niedriger ist als für alle anderen Laserübergänge von 4I13 / 2 zu 4I15 / 2. Normalerweise hat die 1645-nm-Linie aufgrund ihres schwächeren Drei-Stufen-Charakters (d. H. Einen geringeren effektiven Absorptionsquerschnitt) den niedrigsten Schwellenwert, obwohl der 1617-nm-Übergang einen viel höheren effektiven Emissionsquerschnitt aufweist. Dies lässt jedoch zwei Optionen für die Wellenlängenauswahl offen. Der erste und naheliegendste Ansatz besteht darin, Verlustunterscheidung (z. B. ein Intracavity-Etalon) zu verwenden, um die 1617-nm-Linie auszuwählen. Der zweite und vielleicht einfachste Ansatz besteht darin, die Tatsache auszunutzen, dass der Verstärkungsquerschnitt σg mit dem Inversionsparameter β für die 1617-nm-Linie schneller zunimmt als für die 1645-nm-Linie (siehe 3). Das Nettoergebnis ist, dass bei hohen Inversionsdichten der Verstärkungsquerschnitt bei 1617 nm höher ist

Abb. 3. Berechnete Verstärkungsquerschnitte bei 1617 nm und 1645 nm als Funktion des Populationsinversionsparameters.

als bei 1645 nm. Bei Raumtemperatur (300 K) müssen dazu mindestens 35% der Er3 + -Ionen zum 4I13 / 2-Krümmer angeregt werden. In der Praxis kann dies erreicht werden, indem einfach die Schwelle unter Verwendung eines viel höheren Übertragungsausgangskopplers erhöht wird, ohne dass zusätzliche wellenlängenselektive Komponenten im Hohlraum benötigt werden.

  Vorläufige Experimente wurden unter Verwendung des Er: YAG-Stabes mit einem Dotierungsgrad von 0,5 at% und unter Verwendung des Intracavity-Etalons zur Auswahl der 1617-nm-Operation durchgeführt. Die Ergebnisse für die Laserausgangsleistung als Funktion der einfallenden Pumpleistung für drei verschiedene Ausgangskopplerübertragungen (10, 20 und 30%) sind in Fig. 4 (a) gezeigt. Zum Vergleich ist auch die Ausgangsleistung für den Betrieb bei 1645 nm gegenüber der Pumpleistung (d. H. Ohne das in der Kavität vorhandene Etalon) gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Laserleistung mit der Transmission des Ausgangskopplers bei 1617 nm zunimmt. Die Ausgangsleistungen bei 1617 nm sind jedoch etwas niedriger als bei 1645 nm. Darüber hinaus kommt es bei 1617 nm zu einer sehr starken Übersteuerung der Ausgangsleistung, da die Pumpleistung im Gegensatz zur Situation bei 1645 nm auf über 60 W erhöht wird. Fig. 4 (b) zeigt die Leistung von 1617 nm mit einer Ausgangskopplerübertragung von 50%. In diesem Fall war kein Etalon erforderlich. Die Schwellenpumpenleistung betrug ~ 5,2 W und der Steigungswirkungsgrad in Bezug auf die einfallende Pumpenleistung betrug ~ 42% bis zu einer Pumpenleistung von ~ 45 W. Bei höherer Pumpenleistung rollt die Ausgangsleistung sehr stark ab und erreicht eine maximale Ausgangsleistung von nur 16 W. Dies ist erheblich niedriger als für denselben Resonator mit 20% und 30% Ausgangskopplerübertragungen. Wir führen den Rollover-Effekt bei 1617 nm auf einen ausgeprägteren Drei-Stufen-Charakter (d. H. Erhöhten Reabsorptionsverlust) aufgrund eines Temperaturanstiegs infolge einer erhöhten thermischen Belastung bei hohen Pumpleistungen zurück. Die Situation wird durch die Umwandlung von Energie in eine Energieübertragung weiter verschärft, die die Wärmebelastung bei Betrieb mit hohen Erregungsdichten weiter erhöht. Dies zeigt sich in der dramatischeren Übersteuerung der Leistung des Lasers mit einer 50% igen Ausgangskoppler-Transmission.

Abb. 4. Ausgangsleistung versus einfallender Pumpleistung für Er: YAG-Laser mit 0,5 at.% Dotierungsgrad

(a) Verwendung von Ausgangskopplern mit Übertragungen von 10%, 20% und 30%. (Die ausgefüllten Symbole stehen für einen Betrieb mit einem Etalon bei 1617 nm und die offenen Symbole für einen Betrieb bei 1645 nm.)

(b) Ausgangsleistung bei 1617 nm mit Ausgangskopplerübertragungen von 20%, 30% (mit Etalon) und 50% (ohne Etalon).

  Wir wiederholten das Experiment mit Er: YAG-Stäben mit 0,25 at.% Und 1,0 at.% Dotierungspegeln unter Verwendung des 50% Übertragungskopplers. Abbildung 5 (a) zeigt die Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung für die drei in unserer Studie verwendeten Dotierungsniveaus. Die thermische Beladungsdichte und damit der Temperaturanstieg in dem 0,25 Atomprozent dotierten Stab ist mindestens um den Faktor zwei niedriger als für den 0,5 Atomprozent dotierten Stab aufgrund der niedrigeren Dotierungskonzentration und der geringeren Umwandlungsverluste. Als Konsequenz beobachteten wir bis zur maximal verfügbaren Pumpleistung von 75 W keinen Überschlag bei der Ausgangsleistung. Dagegen hat der 1,0 at.% Dotierte Stab eine viel höhere thermische Belastungsdichte und damit einen Temperaturanstieg und, wie erwartet, Der Laser leistete eine weitaus schlechtere Leistung und erreichte eine maximale Ausgangsleistung von nur 3 W. Diese Ergebnisse stützen unsere Behauptung, dass die Überrollleistung auf ein erhöhtes dreistufiges Verhalten aufgrund thermischer Belastung zurückzuführen ist und durch die Umwandlung von Energie in eine Übertragung verstärkt wird. Daher ist die Verwendung niedriger Er3 + -Dotierungspegel in Verbindung mit einem effektiven Wärmemanagement für die Skalierung der Leistung bei einem Übergang von 1617 nm im Dauerstrich- und gütegeschalteten Betriebsmodus von entscheidender Bedeutung.

Abb. 5. Er: YAG-Laserausgangsleistung bei 1617 nm gegen Pumpleistung für

 (a) verschiedene Er3 + -Dotierungspegel unter Verwendung eines Ausgangskopplers mit 50% Transmission

und (b) eine optimierte Hohlraumkonstruktion unter Verwendung von 0,25 at. % Kristall.

  Fig. 5 (b) zeigt die Ausgangsleistung bei 1617 nm gegenüber der Pumpleistung für eine optimierte Resonatorkonstruktion unter Verwendung des 0,25 at.% Er: YAG-Stabes. In diesem Fall wurden die beiden 100-mm-Krümmungsradiusspiegel durch Spiegel mit einem 150-mm-Krümmungsradius ersetzt und die Resonatorlänge wurde so eingestellt, dass sich ein größerer berechneter TEM00-Taillenradius von ~ 100 ergabmm und damit eine bessere räumliche Überlappung mit dem gepumpten Bereich. Die Schwellenpumpenleistung betrug ~ 4,1 W und der Steigungswirkungsgrad in Bezug auf die einfallende Pumpenleistung betrug ~ 47%. Die Ausgangsleistung wurde nicht bis zur maximal verfügbaren Pumpleistung überrollt, und der Laser erzielte eine maximale Ausgangsleistung von 31 W bei 1617 nm in einem Strahl mit M2»2,2 für 72 W einfallende Pumpenleistung.

4.Zusammenfassung

Der Betrieb von hybriden In-Band-gepumpten Er: YAG-Lasern bei 1617 nm bei hohen Leistungspegeln im kontinuierlichen oder im gütegeschalteten Betriebsmodus ist viel schwieriger als beim Betrieb auf der bekannteren 1645-nm-Linie. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die thermische Belastung aufgrund der Erwärmung durch Quantendefekte und die Umwandlung der Energieübertragung und die damit verbundene Temperaturerhöhung und ein geringerer Reabsorptionsverlust der Hauptgrund sind. Wir schließen daraus, dass die Verwendung eines niedrigen Er3 + -Dotierungsniveaus und eines effektiven Wärmemanagements für die Skalierung der Leistung bei diesem Übergang unerlässlich ist. Mit dieser einfachen Energieskalierungsstrategie haben wir den Er: YAG-Laser demonstriert, der von einem leistungsstarken Er, Yb-Faserlaser bei 1532 nm mit einer Dauerleistung von 31 W bei 1617 nm für 72 W einfallende Pumpleistung gepumpt wird und mit einem entsprechenden Steigungswirkungsgrad von 47%. Eine weitere Skalierung der Ausgangsleistung und eine Erweiterung auf den gütegeschalteten Betriebsmodus kann von der Verwendung von noch niedrigeren Erbiumdotierungspegeln profitieren.

  Danksagungen

  Diese Arbeit wurde vom EMRS-Technologiezentrum für elektromagnetische Fernerkundung (EMRS) finanziert, das vom britischen Verteidigungsministerium eingerichtet wurde.