Исследование оптических свойств лазера накачки

После фиксации системой регистрации линии лазерного излучения производилась запись спектров с шагом 0,1 мм по длине волны и 1 0С по температуре.

Для изменения температуры лазера в блоке управления «ЛАТУС-К» предусмотрен диалоговый режим изменения температуры, причем одна температура устанавливается вручную и соответствует температуре окружающего воздуха, что является необходимым параметром для учета теплопередачи между блоком и окружающей средой. Данная температура измерялась термометром в лаборатории и соответствовала 20 0С.

Другой параметр, температура лазерного кристалла, являлась не учитываемым (как в первом случае), а изменяемым параметром. Максимальное значение данного параметра в моих экспериментах составило 36 0С.

Примерный вид измеренных спектров излучения лазера накачки при разных температурах представлен на рис.3.2-3.3. Из них видно, что спектр излучения лазера многомодовый и при изменении температуры происходит перераспределение энергии излучения по спектру.



Рисунок 3.2 - Спектр излучения лазера накачки «ЛАТУС-К» при Т=28 0С

Рисунок 3.3 - Спектр излучения лазера накачки «ЛАТУС-К» при Т=34 0С

3.2 Обработка спектров излучения

После проведения серии экспериментов, был получен набор спектров излучения при различной температуре полупроводникового лазера. Спектры обрабатывались средствами Excel 2010 для нахождения положения максимума линии излучения, ее полуширины и интегральной интенсивности.

На рис. 3.4 представлена температурная зависимость положения максимума линии излучения от температуры.

Рисунок 3.4 - Температурная зависимость максимума линии излучения лазера накачки

Из рис.3.4 видно, что с повышением температуры максимум излучения лазера смещается в длинноволновую область. Данный факт может играть положительную роль для согласования спектров излучения лазера накачки и кристалла, активированного ионами иттербия и эрбия, с максимумом самой интенсивной линии поглощения на 980 нм.

Подобное поведение, смещение максимума линии излучения в длинноволновую область, является типичным для полупроводниковых лазеров.

Посмотрим далее, как себя ведет другой не менее важный параметр лазера накачки - интегральная интенсивность излучения. На рис.3.5 представлена ее температурная зависимость.

Рисунок 3.5 - Температурная зависимость интегральной интенсивности лазерной линии излучения

Из данных рис.3.5 следует, что интегральная интенсивность лазера «ЛАУТУС-К» при повышении температуры экспоненциально уменьшается. Данный факт, является также традиционным для поведения полупроводниковых лазеров и светодиодов и объясняется снижением с повышением температуры вероятности излучательного перехода из зоны проводимости в валентную зону.

Однако, в данном случае, такое сильное «тушение» лазерной линии будет снижать эффективность полупроводниковой лазерной накачки иттербий и эрбий содержащих кристаллов.

Для учета одновременного влияния двух экспериментально установленных фактов необходимо рассчитать интеграл перекрытия между спектрами излучения лазера накачки «ЛАТУС-К» при различных температурах и спектром поглощения кристалла с ионами иттербия и эрбия.

Для этого в своей работе я измерил спектр поглощения кристалла ниобата лития с ионами иттербия и эрбия (рис.3.6).

Рисунок 3.6 - Измеренный спектр поглощения ниобата лития с иттербием и эрбием

Для удобства численного расчета интеграла перекрытия между спектрами средствами Excel 2010 я проводил измерения спектра поглощения с шагом 0,1 нм, таким же, как и шаг при измерении спектров излучения лазера накачки «ЛАТУС-К». На рис. 3.7 представлен пример наложения на спектр поглощения ниобата лития спектров излучения лазера накачки при разных температурах.



Рисунок 3.7 - Спектры поглощения ниобата лития с иттербием и эрбием (черная линия) и спектры излучения лазера при температуре 28 0С (зеленая линия) и 34 0С (красная линия)



Рисунок 3.8 - Температурная зависимость интеграла перекрытия линии излучения лазера накачки «ЛАТУС-К» и ниобата лития с иттербием и эрбием

Из рис.3.7 видно, что при повышении температуры лазерная линия излучения все больше совпадает с максимумом линии поглощения кристалла, однако ее интенсивность существенно уменьшается.

Для более точного ответа об эффективности использования лазера «ЛАТУС-К» для накачки ниобата лития с иттербием и эрбием были числено рассчитаны интегралы перекрытия спектров излучения лазера и поглощения кристалла (рис.3.8).

Из рис.3.8 видно, что несмотря на приближение длины волны излучения к максимуму линии поглощения ниобата лития с иттербием и эрбием определяющим фактором эффективности накачки является интегральная мощность излучения.

Заключение

Основные результаты выпускной квалификационной работы состоят в следующем:

1 Собрана оптическая схема для изучения температурной зависимости эффективности накачки.

2 Измерена температурная зависимость спектров излучения полупроводникового лазера с волоконным выходом «ЛАТУС-К» в диапазоне 25-40 0С при мощности накачки 1 Вт.

3 Из измеренных спектров определены положения максимумом линии излучения и интегральная интенсивность линии излучения.

4 Рассчитаны интегралы перекрытия линии излучения лазера накачки со спектром поглощения кристалла с иттербием и эрбием в диапазоне 950-980 нм.

5 Наибольший интеграл перекрытия, а значит и эффективность лазерной накачки наблюдается в диапазоне 25-27 0С.

Список использованных источников

1 Варава Н. Оптические усилители EDFA: практическое применение / Н. Варава, М. Никоноров, С. Пронин // Первая миля. - 2011. - №3. - С. 48 - 53.

2 Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы / Под ред. С. А. Дмитриева, Н. Н. Слепова. - М.: Техносфера: Волоконно-оптическая техника, 2010. - 607 с.

3 Razeghi M. Technology of quantum devices / M. Razeghi, W. Murphy. Evanston: Springer, 2010. - 560 c.

4 Пржевуский А. К. Конденсированные лазерные среды / А. К. Пржевуский, Н. В. Никоноров. - СПб.: ИТМО, 2009. - 146 с.

5 Balda R. Near infrared to visible upconversion of Er3+ in CaZrO3/CaSZ eutectic crystals with ordered lamellar microstructure / R. Balda, S. Garcia-Revilla // Journal of Luminescence. - 2009. - T. 129. - С. 1422 - 1427.

6 Галаган Б. И. Эффективность заселения уровня 4I13/2 иона Er3+ и возможность генерации излучения с длиной волны 1,5 мкм в ИАГ:Yb, Er при высоких температурах / Б. И. Галаган, Б. И. Денкер, В. В. Осико // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - №10. - С. 971 - 973.

7 Koechner W. Solid-state lazer engineering / W. Koechner. - Round Hill: Springer, 2006. - 747 c.

8 Салех Б. Оптика и фотоника. Принципы и применение. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т. 2/ Б. Салех, М. Тейх - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012.

9 Frequency conversion in compositionally graded PPLN crystals / V.V. Galutskiy, E.V. Strogonova, S.A. Shmargilov, N.A. Yakovenko // Quantum Electronics 2014.Vol 44, № 1. P 30 - 33.

10 Теоретическое моделирование и экспериментальное исследование Yb:YAG - лазера на тонком диске с диодной накачкой / К. Котанг, М. Каршевский, К. Стивен, А. Гисен, Г. Хюген // “Квантовая электроника”, 28, №2, 1999. -- 140--142 с.

11 Diod Pamped Solid State Lasers / T.Y. Fan // The Lincoln Laboratory Journal, number 3, 1990. P 415--421.

12 Увеличение эффективности накачки при использовании градиентно сенсибилизированных лазерных кристаллов / Е.В. Строганова, В.В. Галуцкий, Д.С. Ткачев, Н.Н. Налбантов, А.А. Цема, Н.А. Яковенко // Оптика и спектроскопия, том 117, номер 6, 2014.

13 Эффективный одномодовый (TEM00) Nd : YVO4-лазер с продольной диодной накачкой на длине волны 808 нм / В.И. Донин, Д.В. Яковин, М.Д. Яковин // “Квантовая электроника”, том 43, номер 10, 2013. -- 903--906 с.

14 О работах предприятия по созданию твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой / Б.Н. Борисов, В.К. Демкин, В.М. Дунин // Лазеры и лазерные технологии, 2003.

15 Компактный твердотельный лазер с продольной накачкой / А.В. Лапота, А.М. Григорьев // “Центр лазерных технологий”, 2010.

16 Твердотельные лазеры с диодной накачкой на керамике, допированной ионами и / А.С. Егоров, А.П. Савкин // Учебно-научный комплекс “Физические основы информационно-телекоммуникационных систем”, 2011.

Размещено на Allbest.ru