Диапазон диодных лазеров расширен до желто-оранжевого!

С помощью новых разработок в области полупроводниковых усилителей и технологий удвоения частоты диапазон перестраиваемых диодных лазеров был расширен до желто-оранжевого, а их мощность в данном диапазоне была увеличена до более чем 1000 МВт. Компактные и простые в обращении лазерные системы можно успешно использовать в таких целях, как лазерное охлаждение натрия, диспрозия или эрбия и спектроскопия ионов редкоземельных элементов в твердых телах.

За последние годы полупроводниковые лазеры способствовали заметному развитию спектроскопии, лазерного охлаждения и улавливания ионов и атомов. Диодные лазеры с внешним резонатором надежно обеспечивают перестраиваемое лазерное излучение с узкой шириной линии для проведения экспериментов, которые становятся все более сложными и большинство из которых включают несколько лазерных систем, работающих одновременно.

Хотя диодные лазеры доступны в широком диапазоне от УФ до ИК, потребности некоторых областей применения не могут быть удовлетворены напрямую. Тем не менее, такие недостатки можно устранить путем генерации второй гармоники (ГВГ) с использованием соответствующих нелинейных кристаллов. Резонаторные усилители значительно повышают эффективность удвоения частоты. Недавно стали доступны конические полупроводниковые усилители (TA), которые обеспечивают высокие основные мощности для ГВГ в желтом и оранжевом спектральных диапазонах. Таким образом, могут быть достигнуты требуемые уровни мощности для таких применений, как лазерное охлаждение натрия, диспрозия или эрбия и спектроскопия редкоземельных ионов в твердых телах.

Настройка лазерной системы

В данной статье в качестве примера представлены два аналогичных диодных лазера с удвоенной частотой на 589 нм и 626 нм — для лазерного охлаждения натрия и диспрозия. Установка этих коммерчески доступных систем TA-SHG pro от Toptica Photonics AG состоит из трех основных компонентов, схематично показанных на рисунке 1.

Ведущий лазер DL pro является центральным элементом всей системы, поскольку он обеспечивает большинство основных свойств. Благодаря своей сложной оптико-механической конструкции DL pro обладает узкой шириной линии и большим непрерывным диапазоном настройки (т.е. без скачков оптической частоты), а также превосходной акустической и термической стабильностью. В сочетании с формирователем тока с очень низким уровнем шума ведущий лазер демонстрирует кратковременную ширину линии значительно ниже 50 кГц. DL pro можно непрерывно настраивать на частоте 20 ГГц с помощью пьезоэлемента в сочетании с системой надежных изгибов. Использование лазерных диодов с AR-покрытием обеспечивает грубую настройку на длине волны более 50 нм и выходную мощность 100 МВт на обеих основных длинах волн.

Две системы TA-SHG pro обеспечивают высокую выходную мощность на 589 нм и 626 нм (рисунок выше). Подробная схема резонатора с удвоением резонансной частоты показана на рисунке ниже

Недавно разработанные конические полупроводниковые усилители повышают уровень выходной мощности инжекционного лазера при сохранении его спектральных свойств. Для защиты ведущего устройства от помех оптической обратной связи DL pro и TA разделены оптическим изолятором -60 дБ. Выбранные микросхемы усилителя обеспечивают выходную мощность около 2200 МВт на 1178 нм и 1252 нм при наложенном токе 7000 мА. Диапазоны грубой настройки усилителей составляют от 1155 до 1190 нм и от 1225 до 1275 нм соответственно.

Рисунок 1. Схема оптического пути в TA-SHG pro: ведущий лазер (DL pro) содержит коническую микросхему усилителя. Затем высокая выходная мощность подается к резонатору для удвоения частоты, который содержит нелинейный кристалл, стабилизированный по температуре

Усиленный луч пространственно согласовывается по режиму с резонатором и соединяется с ним с помощью фирменных зеркальных креплений, основанных на технологии flexure. Для генерации излучения с длиной волны 589 нм и 626 нм используются кристаллы тетрабората лития с AR-покрытием (LBO), обеспечивающие наилучшую эффективность удвоения частоты и высокую долговременную стабильность. Длина герметизированной полости стабилизирована по отношению к основному лазеру с помощью схемы блокировки Паунда-Древера-Холла, что обеспечивает стабильную фиксацию резонатора и, таким образом, надежное усиление основного света внутри резонатора. Одно из резонаторных зеркал установлено на наборе пьезоэлементов, образующих привод цепи блокировки. Чтобы достичь широкого диапазона с возможностью непрерывной настройки, пьезоэлемент обеспечивает большое смещение для регулировки длины резонатора в соответствии с фактической частотой лазера. Вторая схема быстрой блокировки, действующая на тот же блок с полосой пропускания > 20 кГц, компенсирует акустические помехи, воздействующие на резонатор. На первом этапе выбирается и тестируется пропускная способность разъединяющего зеркала для наилучшего согласования импеданса, т.е. для уравновешивания как желаемого преобразования, так и других потерь в резонаторе. Затем, для обеспечения оптимальной долгосрочной стабильности системы, пропускание разъединяющего зеркала дополнительно увеличивается, чтобы уравновесить потенциальные дополнительные потери в резонаторе за счет улучшенного согласования импеданса.

Результаты лабораторных исследований

Система TA-SHG pro на 589 нм обеспечила максимальную выходную мощность 1370 МВт, начиная с основной мощности в 2250 МВт, что соответствует эффективности преобразования в 61%. Вышеупомянутое согласование импеданса, а также пространственное согласование по режиму луча TA с резонатором сильно влияет на общую эффективность, поскольку в резонатор поступает только часть основного света.

Для лазерной системы с длиной волны 626 нм зависимость мощности второй гармоники от основной мощности показана на рисунке 2. Максимальная выходная мощность 1190 МВт на 626 нм была достигнута при основной мощности 2280 МВт. Эффективность удвоения частоты в 52% может быть дополнительно повышена за счет оптимизации пространственного согласования режимов.

Для обеих систем частоту лазера можно непрерывно настраивать в диапазоне 40 ГГц, что соответствует изменению длины волны на 0,05 нм, достаточному для охватывания соответствующих спектральных линий натрия или диспрозия.

Если длина волны ведущего лазера сильно сдвинута, согласование фазы между основной и второй гармоническими волнами должно быть снова оптимизировано для достижения максимальной выходной мощности. Диапазон грубой настройки выходного сигнала второй гармоники в 10 нм был достигнут за счет использования температуры нелинейного кристалла для регулировки фазы.

Диодные лазеры демонстрируют более низкие показатели интенсивности шума по сравнению с лазерами других типов, лишь незначительно повышаемые за счет ГВГ. Спектр относительной интенсивности шума диодного лазера с удвоенной частотой на длине волны 626 нм показан на рисунке 3. Спектр был получен в условиях, похожих на лабораторные, при этом ведущий лазер не был стабилизирован по частоте, а ширина линии лазера не была сужена. Длительные измерения выходной мощности с удвоенной частотой показали очень небольшое изменение мощности в течение 16 дней, как показано на рисунке 4. Такая высокая стабильность была достигнута благодаря лазерной головке, изготовленной из цельного металлического блока, зеркальным креплениям, основанным на технологии flexure, оптико-механической конструкции ведущего лазера и герметичному резонатору для удвоения частоты. Потери выходной мощности можно было бы компенсировать регулировкой разъединяющих зеркал.

Заключение и перспективы

На основе конических полупроводниковых усилителей были реализованы две компактные перестраиваемые лазерные системы с удвоением частоты, мощностью более 1000 МВт на 589 нм и 626 нм, низкой интенсивностью шума и высокой долговременной стабильностью.

Высокая выходная мощность на множестве других длин волн, недоступных прямым диодным лазерам, может быть достигнута с использованием аналогичной установки, но с другими полупроводниками, зеркальными покрытиями и кристаллами, удваивающими частоту. В дополнение к схеме ГВГ, описанной в данной статье, две ступени удвоения частоты могут быть каскадированы для достижения генерации четвертой гармоники (ГЧГ) в УФ-диапазоне.

Почти 15 лет назад Toptica Photonics AG приступила к разработке диодных лазеров для ГВГ и ГЧГ. Уже было собрано более 250 систем в диапазоне от 190 нм до 635 нм. Созданные технологии постоянно используются при разработке и оптимизации систем для расширения используемого оптического диапазона, повышения производительности и упрощения использования.

Рисунок 4. Долговременная стабильность выходной мощности TA-SHG pro на 589 нм, измеренная в течение 400 ч (16 дней). Красная линия означает основную мощность (TA), желтая линия означает выходную мощность после удвоения частоты

Новый подход к созданию лазерной опорной звезды демонстрирует высокие потенциал и надежность ГВГ. Лазерная система мощностью 20 Вт будет установлена непосредственно в конструкции астрономических телескопов следующего поколения и предназначена для возбуждения атомов натрия в мезосфере Земли на высоте 90 км. Лазерная система будет действовать как искусственно созданная светящаяся точка, позволяющая адаптивной оптической системе корректировать искажения волнового фронта, вызванные турбулентностью в атмосфере Земли.

© TOPTICA Photonics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования TOPTICA Photonics на территории РФ