Иллюстрация от: P. Loiko et al / Optics Letters. Недавно группа физиков достигла линейно поляризованной лазерной генерации в одном кристалле KEu(WO4)2 с мощностью более одного ватта, при общей дифференциальной эффективностью в 42,3%. Генерируемое здесь излучение имело длину волны 703 нанометра и слабо эллиптичный поперечный профиль. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Letters. Редкоземельные ионы, такие как Pr3+, Tb3+, Dy3+, Sm3+ или Eu3+, обладают ценными люминесцентными свойствами, что обуславливает их широкое применение в оптике. Ионы европия Eu3+ представляют особый интерес благодаря наличию полного набора узких и интенсивных спектральных линий в видимом диапазоне. Кроме того, ионы Eu3+ характеризуются одной из самых простых схем энергетических уровней, что упрощает планирование и анализ экспериментов. Несмотря на множество полезных свойств, в научной литературе содержится очень мало данных о лазерной генерации в кристаллах, допированных ионами Eu3+.
Фотография выращенного монокристалла KEu(WO4)2. Длина – 40 миллиметров, масса – 61 грамм. P. Loiko et al / Optics Letters
Все имеющиеся исследования демонстрируют сравнительно низкую мощность и дифференциальную эффективность генерации. Это связано с низкой эффективностью накачки и высокими требованиями к её спектральной точности.
Преодолеть эти трудности удалось группе физиков из Германии и Франции при участии Патрис Кэми (Patrice Camy) из Университета Кан-Нормандия. В качестве рабочего тела ими был использован монокристалл KEu(WO4)2, а в качестве накачки — излучение лазера марки Verdi G Series фирмы Coherent с длиной волны 532 нанометра и мощностью до девяти ватт.
Монокристалл KEu(WO4)2 был изготовлен методом выращивания из раствора при температуре 1228 кельвин. Рост происходил вдоль кристаллографического направления [010]. За счет наличия ионов Eu3+ монокристалл имеет розовый оттенок. Авторы оценили концентрацию ионов, равной 61,55×1020 обратных кубических сантиметров при плотности материала, равной 7,07 грамм на кубический сантиметр. Для эксперимента из кристалла был сформирован параллелепипед размерами 4,75 на 5,07 на 5,21 миллиметров, грани которого были отполированы.
Эксперимент по лазерной генерации проводился для двух разных форм резонатора. В первом случае выходное зеркало резонатора было вогнутым, во втором — плоским. Меняя в первом случае фокусное расстояние выходного зеркала, физики влияли на порог генерации и дифференциальную эффективность, которая определяет приращение мощности генерации на единицу мощности накачки. Оптимальный режим был достигнут для фокусного расстояния, равного 75 миллиметрам, при котором мощность лазера составила 0,532 ватта, порог — 565 милливатт, а дифференциальная эффективность — 34 процента.
Схема эксперимента с плоским выходным зеркалом (ОС). Зеркало, расположенное со стороны накачки (PM), пропускало 86 процентов света на длине волны лазера накачки и отражало почти весь свет на длинах волн генерации. P. Loiko et al / Optics Letters
Однако более удачной оказалась схема с плоским выходным зеркалом. В этом случае удалось достичь значений пиковой мощности в 1,1 ватт, дифференциальной эффективности в 43,2 процента, а порога — всего 64 милливатта. В уменьшении порога также сыграло роль понижение коэффициента пропускания выходного зеркала. Авторы связывают успешность генерации в случае плоского зеркала с наличием естественного линзирования в самом кристалле.
Физики также исследовали режим непрерывной работы изготовленного лазера. Они показали, что после одной миллисекунды начинается стабильная генерация, чьи незначительные флуктуации вызваны флуктуациями мощности лазера накачки. Авторы исследовали профиль пучка, который демонстрировал гауссово распределение интенсивности с небольшой эллиптичностью. Последнее ученые связывают с астигматическим линзированием самого кристалла, вызванное его двуосностью.
(a) Зависимость мощности лазера от времени при подаче накачки в нулевой момент времени. (b) Фотография профиля лазерного пучка, сгенерировано в схеме с плоским выходным зеркалом. P. Loiko et al / Optics Letters
Авторы отмечают, что достигнутые ими характеристики стали рекордными для европиевых лазеров. Дальнейшее улучшение установки они видят в добавлении активного охлаждения для стабильной работы в высокомощном непрерывном режиме. Кроме того, физики надеются в будущем получить генерацию и на других длинах волн.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
