Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка многоканальных фотонных модулей на основе градиентных кристаллов

Сведения об участнике
ФИО
Налбантов Николай Николаевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Исследование и разработка многоканальных фотонных модулей на основе градиентных кристаллов
Резюме
Предложена концепция лазерных систем на основе кристаллов LiNbO3: Yb, Er с неравномерными профилями легирования ионами эрбия и иттербия вдоль длины активного элемента. Предварительные исследования кристаллов данного типа показали потенциал увеличения энергосъема инфракрасной (до 20%) и видимой (до 5-7%) люминесценции ионов эрбия по сравнению с привычными однородными кристаллами; также были исследованы возможности усреднения распределения теплового поля по объему кристалла, что позволяет уменьшить вклад термооптических искажений. Результаты исследований публикуются отечественными и зарубежными изданиями, заявка на патент находится на рассмотрении.
Ключевые слова
Лазерная физика, фотоника, твердотельные лазеры, многоканальная лазерная генерация
Цели и задачи
1. Разработка физико-математической модели оптической схемы резонатора для многоканального твердотельного лазерного модуля.
2. Физико-математическое моделирование лазерной генерации в видимом (зеленое и красное излучение эрбия) и инфракрасном (полуторамикронное излучение эрбия) диапазонах в градиентно активированных кристаллах ниобата лития с концентрационными профилями оптических примесей иттербия и эрбия.
3. Разработка экспериментального макета высокоэффективного многоканального твердотельного лазерного модуля на базе спроектированного резонатора и градиентных кристаллов.
Введение

На сегодняшний день большая часть самых эффективных лазерных сред излучает в области длин волн 600-1600 нм, в то время как в среднем и дальнем ИК-диапазоне (2-5 мкм), включающем окно прозрачности атмосферы, количество исследованных твердотельных источников лазерного излучения ограничено рядом малоэффективных активных матриц. Подавляющее большинство полупроводниковых лазеров малопригодно для работы в фемтосекундном режиме и характеризуются значительным расплыванием импульсов в пространственной и частотной области.

 

Целью данной НИР является изучение и создание многоканальных лазеров на базе нового типа кристаллических лазерных сред с аналитически заданными неравномерными концентрационными профилями активных оптических примесей.

Методы и материалы

Получение градентно-активированных кристаллов будет производиться по разработанному научным коллективом модифицированному методу Чохральского с жидкостной подпиткой (патент на изобретение № 2402646). Из выращенных градиентно активированных кристаллов будут получены стандартными методами экспериментальные образцы и  лазерные элементы

Для изучения динамики изменения эффективности переноса энергии электронного возбуждения, и определения оптимальных концентраций доноров и акцепторов в аспекте создания высокоэффективных лазерных сред будет применена оригинальная методика, разработанная в КубГУ заявителями данного проекта (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012618765  и № 2013617063).

Определение предельных концентраций для концентрационных профилей оптических центров Yb, Er  будет основано на физико-математической модели релаксации электронного возбуждения в системе донор-акцептор.

Из полученных компонентов будет сконструирован экспериментальный макет многоканального лазерного модуля.

Техническое обеспечение проекта:

  • Автоматизированная ростовая установка «Ника-3»;
  • Спектрограф MSDD-1000 (спектральный диапазон – 0,1-5 мкм);
  • Монохроматор МДР-204 (спектральный диапазон – 0,1-5 мкм);
  • Лавинный фотодиод (спектральный диапазон – 0,8-1,7 мкм);
  • Полупроводниковый фотодиод на основе PbS;
  • ПЗС-камера;
  • Nd:YAG-лазер (1064 нм; 250 мДж в импульсе);
  • Nd:YLF-лазер (1053 нм);
  • Полупроводниковый лазер (970 нм).
Описание и обсуждение результатов

Для качественной оценки энергетического распределения поля основной моды генерации с длиной волны 1,5 мкм была выбрана модель низшей эрмит-гауссовой моды, распространяющейся в плоскопараллельном резонаторе Фабри-Перо. По результатам данных расчетов было установлено, что форма и наклон концентрационных профилей как ионов эрбия, так и ионов иттербия, а также численное соотношение их концентраций значительно влияют на эффективность усиления в каждой точке. Таким образом, оптимизируя форму обоих концентрационных профилей под разные цели, можно получать, например, активные элементы с повышенной энергоотдачей у выходной апертуры лазерной системы или активные элементы с более равномерной картиной генерации теплового поля, и т.д., в зависимости от желаемых свойств лазерного кристалла.

В результате проведенных исследований кинетики люминесценции получено, что величина интенсивности 1,5 мкм излучения в градиентно-активированных кристаллах коррелирует с концентрационным профилем доноров Yb3+, что объясняется процессами прямого и обратного переноса энергии электронного возбуждения между примесными оптическими центрами. Проведены теоретические и экспериментальные исследования квантовой эффективности ап-конверсии в зеленой спектральной области ионов Er3+, которая составляет порядка 10-12%.

Для анализа термооптических свойств градиентных кристаллов были выбраны постоянный, экспоненциальный, нарастающий и параболический концентрационные профили ионов эрбия. Параболическая форма концентрационного профиля является оптимальной с точки зрения как наиболее эффективного теплоотвода, что выражается в наименьшей максимальной температуре кристалла, так и с точки зрения равномерности теплового профиля, что минимизирует влияние таких термооптических искажений как тепловые линзы на качество лазерного пучка.

Разработка оптических резонаторов, отвечающих условию динамической стабильности привела к получению нескольких технических моделей:

- Полуконфокальный резонатор, содержащий кристалл ниобата лития с нарастающими параболическими градиентами ионов эрбия и иттербия и имеющий длину 0,5 см, радиус кривизны вогнутого зеркала 1 см, и необходимый радиус пятна накачки 32,9 мкм. Профиль каустики расходится до максимального значения 46,5 мкм, давая двукратное увеличение площади модового пятна. Это снижает значение плотность поля у выходной апертуры, но позволяет произвести накачку большего количества активных ионов. Согласно теоретическим предсказаниям радиус волнового фронта на вогнутом зеркале составляет точно 1 см, совпадая с радиусом кривизны отражающей поверхности, а на плоском входном зеркале стремится к бесконечности.

- Плоскопараллельный резонатор с радиусом пятна накачки 125 мкм: увеличение площади моды составляет не более 6%, а радиус кривизны волнового фронта на обоих зеркалах не опускается ниже величины 100 см.

Используемые источники
1 Н. Н. Налбантов, Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий // Сборник научных трудов VIII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2013». – 2013. - С. 168-170.
2 Н. Н. Налбантов, Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий // Сборник научных трудов III всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. – 2014. – С. 97-98.
3 Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий, Д. С. Ткачев и др. // Оптика и спектроскопия. – 2014. – т. 117. – №6. – C. 1012-1017.
4 Быков В. П. Лазерные резонаторы / В. П. Быков. – М.: Физматлит, 2004. – 320 с.
5 E. Cantelar, F. Cusso // Journal of Luminescence. – 2003. – Vol. 102-103. – P. 525–531.
6 А. Н. Алпатьев, В. А. Смирнов, И. А. Щербаков // Квантовая электроника. – 2009. – Т. 39. – №11. – С. 1033-1040.
7 А. Н. Алпатьев, В. А. Смирнов, И. А. Щербаков // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40. – №1. – С. 35-44.
Information about the project
Surname Name
Nalbantov Nikolay
Project title
Research and development of multi-channel photonic modules with non-uniformly doped laser crystals
Summary of the project
Theoretical model and experimental prototypes of solid-state laser systems based on non-uniformly doped crystals of LiNbO3: Yb, Er has been suggested and studied. First round of studying unveiled the potential for the increasing of infrared (up to 20%) and visible light (up to 5-7%) luminescence generation efficiency. Besides that, non-uniform concentration profiles of active ions can help to average out distribution of heat along the laser crystal, reducing the magnitude of thermooptical aberrations with that. Results of researches were published is several peer-reviewed scientific journals, patent of non-uniformly doped crystals structure is pending.
Keywords
Laser physics, photonics, solid-state lasers, multi-wavelength laser generation