Laser Er: YAG pompé à haute puissance dans la bande à 1617 nm

  Résumé: Le fonctionnement à haute température ambiante d'un laser Er: YAG à 1617 nm en bande pompé par un laser à fibre Er, Yb à gaine à pompage à 1532 nm est rapporté. Le laser Er: YAG a produit 31 W de sortie à onde continue dans un faisceau avec M2»2.2 pour 72 W de puissance de pompe incidente. La puissance de pompe seuil était de 4,1 W et l’efficacité de la pente, par rapport à la puissance incidente de la pompe, était de ~ 47%. L'influence du niveau de dopage à l'erbium et de la conception du résonateur sur les performances du laser est discutée, ainsi que les perspectives d'augmentation supplémentaire de la puissance de sortie et de l'amélioration de l'efficacité du traitement laser.

  2008 Optical Society of America

  Codes OCIS: (140.0140) Lasers et optique laser; (140.3070) Lasers à infrarouge et à infrarouge lointain; (140,3500) Lasers d'erbium; (140.3510) Lasers en fibres; (140.3580) Lasers à l'état solide.

 1. Introduction

  Les sources laser opérant dans le régime de longueurs d’ondes inoffensives pour la vue entre 1,5 et 1,6mm ai de nombreuses applications, y compris la télédétection, la télémétrie et les communications en espace libre. Le pompage direct (dans la bande) de Er: YAG avec un laser à fibre Er, Yb [1-6] ou un laser diode [7-9] est en train de devenir rapidement l’un des moyens les plus prometteurs de parvenir à ce régime de longueur d’onde, en raison de la perspective de puissance de sortie moyenne élevée dans les modes de fonctionnement à onde continue (cw) et à commutation Q. L'utilisation d'un laser de pompe à base de fibres est particulièrement intéressante, car elle permet l'utilisation de cristaux Er: YAG à faible concentration en ions erbium afin de minimiser les effets néfastes de la conversion ascendante par transfert d'énergie (ETU) sur les performances du laser [10]. besoin de refroidissement cryogénique pour atteindre des rendements lasing élevés [8]. L’un des principaux avantages de l’approche laser hybride fibre-vrac réside dans le chauffage très faible des défauts quantiques dans le milieu du laser en vrac, ce qui simplifie grandement l’échelle de puissance dans une géométrie laser offrant également le potentiel d’une énergie d’impulsion élevée en mode Q-switch. Cette approche a été appliquée avec succès à des lasers à dopage Er et Ho, fonctionnant dans les régimes de longueur d'onde ~ 1,6 et ~ 2,1 µm. Dans des travaux récents, nous avons présenté des lasers hybrides basés sur Er: YAG avec > 60 W de puissance de sortie [1] et avec une énergie d’impulsion> 15 mJ en mode Q-switch sur le 4je13/2 ® 4je15/2

 transition à 1645 nm [2,10]. Cependant, pour certaines applications de télédétection et de télémétrie, cette longueur d'onde de fonctionnement est un peu gênante, car certaines lignes d'absorption atmosphérique dues au méthane se trouvent à proximité l'une de l'autre et nécessitent une sélection et un contrôle minutieux de la longueur d'onde émise. Er: YAG a également une transition entre les mêmes variétés supérieure et inférieure à 1617 nm (voir Fig. 1), qui se situe dans une région du spectre où il n'y a pas de lignes d'absorption atmosphérique. Cette transition bénéficie d’une section efficace d’émission plus élevée, mais a un caractère beaucoup plus prononcé sur trois niveaux, exigeant que ~ 14% des ions Er3 + soient excités vers le collecteur supérieur pour atteindre la transparence par rapport à ~ 9% pour la transition à 1645 nm. Il en résulte que la puissance de pompage à seuil pour un fonctionnement à 1617 nm est généralement beaucoup plus élevée que pour un fonctionnement à 1645 nm et que, par conséquent, les configurations de résonateur standard sont normalement à 1645 nm. Le fonctionnement de Er: YAG à 1617 nm a été réalisé soit en utilisant des composants supplémentaires discriminant la longueur d’onde dans l’intracavité (par exemple des étalons) [5,6] pour supprimer la ligne à 1645 nm, soit en opérant à des températures cryogéniques où la perte de réabsorption à 1617 nm est considérablement réduit [8]. Dans les deux cas, les puissances moyennes les plus élevées signalées à ce jour sont inférieures à < 6 W en utilisant la discrimination de longueur d'onde [6] et < 0,32 W pour un fonctionnement quasi-CW à 78 K [8]. Nous rapportons ici les résultats d’une étude expérimentale sur le fonctionnement à 1617 nm de lasers hybrides Er: YAG à puissances de pompage élevées et discutons de la manière dont divers facteurs (notamment le niveau de dopage Er3 + et la conception de la cavité) influencent les performances du laser. Sur la base des résultats de cette étude et en utilisant une stratégie simple de mise à l'échelle de la puissance, nous avons démontré un laser Er: YAG, pompé dans la bande par un laser à fibre Er, Yb à gaine pompée à 1532 nm, avec une puissance de sortie de 31 W à 1617 nm pour 72 W de puissance de pompe incidente à la température ambiante. À notre connaissance, il s’agit de la puissance de sortie en Cw la plus élevée signalée à ce jour pour un laser Er: YAG fonctionnant sur la ligne 1617 nm.

Fig. 1. Diagramme des niveaux d'énergie Er: YAG montrant les transitions laser à 1617 nm et 1645 nm.

  2. Expérience

  La configuration du laser hybride Er: YAG utilisé dans nos expériences est illustrée à la Fig. 2. Le laser à pompe à fibre Er, Yb a été construit en interne [11] et comprend une longueur d'environ 2,5 m de fibre double gaine avecmm de diamètre (0,22 NA) cœur en phospho-silicate dopé au Er, Yb entouré de 400mm de diamètre, revêtement intérieur en silice pure en forme de D. La fibre a été revêtue d'une gaine extérieure en polymère fluoré à faible indice de réfraction (n = 1,375), ce qui a donné une valeur NA calculée de 0,49 pour le guide de pompe à gaine intérieure. Le fonctionnement au pic d'absorption dans Er: YAG à 1532 nm a été réalisé avec une rétroaction sélective de longueur d'onde fournie par une cavité externe contenant un réseau de diffraction (600 lignes / mm) dans la configuration de Littrow. Une lentille de collimation de longueur focale relativement longue (120 mm) a été utilisée dans la cavité externe pour garantir que la sélectivité spectrale du réseau était suffisante pour obtenir une bande passante laser plus étroite (~ 0,4 nm) que la bande passante d'absorption Er: YAG (environ 4 nm). ). La rétroaction pour lasing à l'extrémité opposée de la fibre a été fournie par la réflexion de Fresnel d'environ 3,6% à partir d'une facette coupée perpendiculairement. La lumière de pompe était fournie par deux modules de pompe à diode à neuf barres à polarisation combinée à 976 nm. Le faisceau de sortie des modules de pompe combinés a été scindé spatialement en deux faisceaux de puissance à peu près égale à l'aide d'un miroir tranchant permettant le pompage de la fibre Er, Yb aux deux extrémités. De cette manière, les charges thermiques étaient réparties plus uniformément le long de la fibre, ce qui réduisait le risque d'endommagement thermique du revêtement extérieur en polymère. En utilisant cet agencement, la fibre Er, Yb fournissait une puissance de sortie maximale de 120 W à 1532 nm dans un faisceau avec M2 < 5 pour ~ 440 W de puissance de pompe lancée. À ce niveau de puissance, le laser à fibre risquait de s'endommager. Afin d'assurer un fonctionnement fiable, le laser fonctionnait à des niveaux de puissance inférieurs à 75 W.

Un résonateur plié à quatre miroirs a été utilisé pour le laser Er: YAG. Cela comprenait un coupleur d’entrée de pompe plane avec une réflectivité élevée (> 99,8%) à la longueur d’onde laser (1600-1650 nm) et une transmission élevée (> 95%) à la longueur d’onde de pompe (1532 nm), deux miroirs concaves (R1). et R2) de rayon de courbure de 100 mm avec une réflectivité élevée (> 99,8%) aux longueurs d’onde laser et de pompage et à un coupleur de sortie plane. Une gamme de coupleurs de sortie avec des transmissions de 10%, 20%, 30% et 50% à la longueur d'onde laser était disponible pour notre étude. Pour étudier l’influence de la concentration de Er3 + sur les performances, trois crayons Er: YAG avec des niveaux de dopage de 0,25% at%, 0,5% et 1,0% et avec des longueurs respectives de 58 mm, 29 mm et 15 mm. Les longueurs de cristal ont été choisies de manière à ce que les trois cristaux aient approximativement le même rendement d’absorption à la pompe à de faibles puissances de pompe (c’est-à-dire en l’absence de blanchiment à l’état fondamental). On a mesuré cette dernière à environ 98%, ce qui indique que le coefficient d'absorption dans Er: YAG pour un pompage à 1532 nm est d'environ 260 m-1 / at.%. Les deux extrémités des tiges Er: YAG ont été revêtues d’un revêtement antireflet pour les modèles 1,5 à 1,7.mm gamme de longueurs d’onde couvrant les longueurs d’onde de pompage et d’extraction.

Fig. 2. Schéma du résonateur Er: YAG. IC: miroir de coupleur d'entrée

(AR à 1532 nm et HR à 1600-1700 nm). OC: miroir de coupleur de sortie

 (Transmission (T) de 10%, 20%, 30% ou 50% à 1600-1700 nm).

  Les tiges Er: YAG étaientmonté dans un dissipateur thermique en aluminium à refroidissement par eau maintenu à 17 oC à proximité de la température ambiante et situé au milieu du bras du résonateur défini par les deux miroirs incurvés (R1 et R2). La longueur physique de ce bras du résonateur était d’environ 125 mm et la longueur physique totale du résonateur était d’environ 365 mm, ce qui donnait un rayon de ceinture TEM00 de ~ 80mm. L'angle d'incidence sur les miroirs courbes a été rendu très petit (<10 °) pour minimiser l'astigmatisme. Le faisceau de pompage du laser à fibre Er, Yb a été couplé au résonateur via le coupleur d’entrée en plan, puis concentré à un rayon de tour de taille de ~ 75mm dans la tige Er: YAG à l'aide du miroir incurvé R1. Un étalon de 100 en silice fondue non enrobéemm épaisseur a été utilisée pour fournir la discrimination de longueur d’onde (si nécessaire) afin d’assurer la diffusion laser sur la ligne des 1617 nm.

3. Résultats et discussion

  Au seuil d'oscillation laser, le gain aller-retour doit être égal à la perte fractionnelle de la cavité laser, donc

sg N l = -[bûche e (1 - T)+ bûche e (1 - L)](1)

  où σg est la section transversale du gain, N est la concentration de dopage aux ions actifs, l est la longueur du milieu de gain, T est la transmission du coupleur de sortie et L est la perte dans la cavité aller-retour (à l'exclusion de la perte de couplage de sortie). . La section efficace de gain dépend des sections efficaces d’émission et d’absorption effectives (σe et σa) pour la transition et des densités de population N2 et N1 dans les variétés supérieure (4I13 / 2) et inférieure (4I15 / 2). respectivement via la relation [4]:

sg = bse - (1- b)sune(2)

  où le paramètre d'inversion β = N2 / (N1 + N2) N2 / N en l'absence de conversion ascendante par transfert d'énergie. Pour appliquer l'effet laser sur la ligne à 1617 nm, le résonateur doit être configuré de sorte que le seuil de fonctionnement à 1617 nm soit inférieur à celui de l'une des autres transitions laser de 4I13 / 2 à 4I15 / 2. Habituellement, la ligne à 1645 nm a le seuil le plus bas en raison de son caractère à trois niveaux plus faible (à savoir une section efficace d’absorption effective plus faible), même si la transition à 1617 nm a une section efficace d’émission beaucoup plus élevée. Cependant, cela laisse ouvertes deux options pour la sélection de longueur d'onde. La première approche, et la plus évidente, consiste à utiliser une discrimination de perte (par exemple un étalon intracavité) pour sélectionner la ligne à 1617 nm. La deuxième approche, et peut-être la plus simple, consiste à exploiter le fait que la section efficace de gain, σg augmente plus rapidement avec le paramètre d'inversion, β pour la raie à 1617 nm que pour la raie à 1645 nm (voir la Fig. 3). Le résultat net est qu’aux fortes densités d’inversion, la section efficace de gain à 1617 nm est plus élevée

Fig. 3. Sections efficaces de gain calculées à 1617 nm et 1645 nm en fonction du paramètre d'inversion de population.

qu'à 1645 nm. À la température ambiante (300 K), il faut qu'au moins 35% des ions Er3 + soient excités dans le collecteur 4I13 / 2. En pratique, cela peut être réalisé simplement en augmentant le seuil en utilisant un coupleur de sortie de transmission beaucoup plus élevé, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des composants intracavités sélectifs en longueur d'onde supplémentaires.

  Des expériences préliminaires ont été menées en utilisant la tige Er: YAG avec un niveau de dopage de 0,5%, et en utilisant l’étalon intracavité pour sélectionner un fonctionnement à 1617 nm. Les résultats pour la puissance de sortie du laser en fonction de la puissance de pompe incidente pour trois transmissions de coupleur de sortie différentes (10, 20 et 30%) sont représentés sur la figure 4 (a). En outre, à des fins de comparaison, la puissance de sortie pour un fonctionnement à 1645 nm par rapport à la puissance de pompage (c'est-à-dire sans l'étalon présent dans la cavité) est également indiquée. On peut constater que la puissance du laser augmente avec la transmission du coupleur de sortie à 1617 nm. Cependant, les puissances de sortie à 1617 nm sont légèrement inférieures à celles à 1645 nm. De plus, la puissance de sortie à 1617 nm se renverse très fortement lorsque la puissance de pompage est augmentée au-delà de 60 W, contrairement à la situation à 1645 nm. La figure 4 (b) montre les performances à 1617 nm avec une transmission du coupleur de sortie de 50%. Dans ce cas, un étalon n'était pas requis. La puissance de pompage à seuil était d’environ 5,2 W et l’efficacité de la pente vis-à-vis de la puissance incidente de la pompe était de 42% environ, jusqu’à une puissance de pompage de -45W environ. 16 W. Ceci est considérablement plus faible que pour le même résonateur avec 20% et 30% de transmission en couplage de sortie. Nous attribuons le renversement de puissance à 1617 nm à un caractère à trois niveaux plus prononcé (c’est-à-dire une perte de réabsorption accrue) dû à une augmentation de la température résultant d’une augmentation de la charge thermique à des puissances de pompe élevées. La situation est encore aggravée par la conversion ascendante de transfert d’énergie, qui a pour effet d’augmenter encore la charge thermique lorsqu’elle fonctionne à des densités d’excitation élevées. Cela ressort clairement du renversement plus spectaculaire de la puissance du laser avec une transmission à 50% du coupleur de sortie.

Fig. 4. Puissance de sortie par rapport à la puissance incidente de la pompe pour le laser Er: YAG avec un niveau de dopage de 0,5 at.

(a) utilisant des coupleurs de sortie avec des transmissions de 10%, 20% et 30%. (Les symboles pleins représentent un fonctionnement à 1617 nm avec un étalon et les symboles ouverts représentent un fonctionnement à 1645 nm).

(b) Puissance de sortie à 1617 nm avec transmissions de coupleurs de sortie de 20%, 30% (avec étalon) et 50% (sans étalon).

  Nous avons répété l'expérience avec des barreaux Er: YAG avec des niveaux de dopage de 0,25% à 1,0% et 1,0% à l'aide du coupleur de sortie à 50%. La figure 5 (a) montre la puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe pour les trois niveaux de dopage utilisés dans notre étude. La densité de charge thermique, et donc la hausse de température dans la tige dopée à 0,25% at., Est au moins un facteur de deux inférieure à celle de la tige dopée à 0,5%. At. En raison de la concentration inférieure de dopage et des pertes réduites de conversion. En conséquence, nous n’avons observé aucun renversement de la puissance de sortie jusqu’à la puissance de pompe maximale disponible de 75 W. En revanche, la tige dopée à 1,0% en surface présente une densité de charge thermique beaucoup plus élevée et par conséquent une augmentation de la température et, comme prévu, les performances du laser étaient bien pires, atteignant une puissance de sortie maximale de 3 W. Ces résultats corroborent notre affirmation selon laquelle le renversement de la puissance est dû à un comportement accru sur trois niveaux dû à une charge thermique et exacerbé par une conversion ascendante à transfert d'énergie. Ainsi, l’utilisation de faibles niveaux de dopage Er3 + conjointement avec une gestion thermique efficace est cruciale pour l’échelle de puissance sur la transition à 1617 nm en mode de fonctionnement à onde continue et à commutation Q.

Fig. 5. Er: puissance de sortie du laser YAG à 1617 nm par rapport à la puissance de pompage pour

 (a) différents niveaux de dopage Er3 + utilisant un coupleur de sortie avec une transmission à 50%

et (b) une conception de cavité optimisée utilisant une valeur de 0,25 at. % cristal.

  La figure 5 (b) montre la puissance de sortie à 1617 nm par rapport à la puissance de pompage pour une conception optimisée du résonateur utilisant la tige de 0,25 at.% Er: YAG. Dans ce cas, les deux miroirs de 100 mm de rayon de courbure ont été remplacés par des miroirs de 150 mm de rayon de courbure et la longueur du résonateur a été ajustée pour obtenir un rayon de courbure du faisceau TEM00 plus grand, de ~ 100mm et donc un meilleur recouvrement spatial avec la région pompée. La puissance de pompage à seuil était de ~ 4,1 W et l’efficacité de la pente, par rapport à la puissance de la pompe incidente, à ~ 47%. Il n’ya pas eu de retournement de la puissance de sortie jusqu’à la puissance de pompe maximale disponible et le laser a fourni une puissance de sortie maximale de 31 W à 1617 nm dans un faisceau de type M2.»2.2 pour 72 W de puissance de pompe incidente.

4.Résumé

  Le fonctionnement des lasers hybrides Er: YAG pompés en bande hybrides à 1617 nm à des niveaux de puissance élevés en mode de fonctionnement à onde continue ou Q-switch est beaucoup plus difficile que pour le fonctionnement sur la ligne plus connue à 1645 nm. Nos résultats suggèrent que la charge thermique due au réchauffement des défauts quantiques et à la conversion ascendante de transfert d'énergie, à l'augmentation de température associée et à la perte de réabsorption de niveau plus faible en est la principale raison. Nous concluons que l’utilisation d’un faible niveau de dopage Er3 + et d’une gestion thermique efficace est vitale pour l’échelle de puissance de cette transition. En utilisant cette stratégie simple de mise à l'échelle de la puissance, nous avons mis en évidence le laser Er: YAG, pompé par un laser à fibre haute puissance Er, Yb à 1532 nm, avec une puissance de sortie à onde continue de 31 W à 1617 nm pour une puissance de pompe incidente de 72 W et avec une efficacité de pente correspondante de 47%. Une mise à l'échelle supplémentaire de la puissance de sortie et une extension au mode de fonctionnement Q-switch pourraient tirer profit de l'utilisation de niveaux de dopage erbium encore plus bas.

Remerciements

  Ce travail a été financé par le centre de technologie de défense EMRS (Electronic Technology Remote Detection), créé par le ministère de la Défense du Royaume-Uni.