Накачка с помощью лазерных диодов.

Для лазерных сред с ионами Nd на рис. 2 показаны, в качестве типично­го примера, важные с точки зрения накачки участки зависимости коэффици­ента поглощения от длины волны как для кристаллов Nd:YAG (сплошная

а б

Длина волны [нм] Длина волны [нм]

Рис. 2

Коэффициент поглощения в зависимости от длины волны в спектральном диапазоне, представляющем интерес для накачки излучением диодных лазеров:

а) Nd:YAG (сплошная линия) и стекло с Nd (пунктирная линия). Концентрация Nd равна 1,52 • 10²⁰ см ³ — в кристалле Nd:YAG (1,1 атом.%) и 3,2 10²⁰ см ³ — в стекле с Nd (3,8 весовых % в Nd₂0₃) (заимствовано из [15], с разрешения); б) Yb:YAG (сплошная линия) и стекло с Yb (пунктирная линия). Концентрация Yb равна 8,98 • 10²⁰ см ³ — в кристалле Yb: YAG (6,5 атом.%) и 1 • 10²¹ см ³ — в стекле с Yb. Кривые для Yb: YAG и стекла с Yb .

Таблица 1

Сравнение параметров накачки и длин волн генерации для различных лазерных материалов

	NdrYAG	Yb:YAG	Yb:Er: стекло	CrrLISAF	Tm:Ho:YAG
Концентрация	1 атом.%	6,5 атом.%	—	1 атом.%	6,5 атом.% Tm 0,36 атом.% Ho
Диодный лазер накачки	AlGaAs	InGaAs	InGaAs	GalnP	AlGaAs
Длина волны (нм)	808	950	980	670	785
Концентрация активных ионов (1020 СМ"3)	1,38	9	10 [Yb] [Er]	0,9	8 [Tm] 0,5 [Ho]
Коэффициент поглоще­ния накачки (см-1)	4	5	16	4,5	6
Длина волны генерации (мкм)	1,06 1,32, 1,34 0,947	1,03	1,53	0,72-0,84	2,08

линия), так и для стекла с Nd (пунктирная линия). Отметим, что кристаллы Nd:YAG наиболее эффективно накачиваются на длине волны X = 808 нм излу­чением Ga_0,91 Al_0,09As/Ga_0,7Al_0,3As лазеров с квантовыми ямами, ширина ли­нии которого обычно составляет 1-2 нм. С другой стороны, благодаря сво­ему широкому и бесструктурному спектру поглощения, стекло с Nd может быть накачано в более широком диапазоне вблизи пика поглощения с 800 нм. Для лазерных сред с ионами Yb зависимости коэффициента по­глощения от длины волны для кристаллов Yb: YAG (сплошная линия) и стекла с Yb (пунктирная линия) приведены на рис. 2. И в этом случае спектр по­глощения в стекле является более широким и бесструктурным, в отличие от спектра поглощения в кристалле Yb: YAG. Оптимальная длина волны накач­ки составляет 960 нм для Yb: YAG и 980 нм — для стекла с Yb; излучение с этими длинами волн получают от InGaAs/GaAs лазеров с квантовыми ямами (например, In_0,2Ga₀,₈As/GaAs для 980 нм).

Существует четыре типа излучателей, используемых в системах накач­ки на основе диодных лазеров. Перечислим их в порядке увеличения вы­ходной мощности: (1) однополосковый диодный лазер (англ. single stripe diode laser); (2) линейка однополосковых диодных лазеров (англ. diode ar­ray); (3) блок линеек диодных лазеров (англ. diode bar); (4) сборка блоков линеек (англ. stacked bars).

Наименьшую выходную мощность (Р < 100 мВт) имеют однополосковые диодные лазеры, такие как лазер с волноводом, сформированным распреде­лением показателя преломления (англ. index-guided laser), показанный на рис. 6.9а. С помощью подходящего изолирующего оксидного слоя ток на­качки диода ограничен в полоске шириной 3-5 мкм, тянущейся вдоль всей длины диода. Поперечное сечение выходящего пучка излучения имеет фор­му эллипса с осью d_┴ ≈ 1 мкм в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п перехода, и осью d║ ≈ 3-6 мкм в плоскости р-п перехода. Обладая столь малы­ми размерами, пучок является пространственно когерентным, т. е. дифрак­ционно-ограниченным. Действительно, характерная величина половины угла расходимости по уровню интенсивности 1/е² составляет ϴ_┴ = 20° = 0,35 рад в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п перехода. Это означает, что ϴ_┴ = 2X/nd_┴ если принять, для длины волны 800 нм, что d_┴ = 1,4 мкм. В пло­скости перехода половина угла расходимости обычно равна ϴ_║= 5° = 0,09 рад, и снова получаем, что ϴ_║ = 2X/nd_║ если положить d_║ = 5,8 мкм. (В обеих плос­костях предполагается гауссово распределение интенсивности с размерами пятен w_0┴ = d_┴/2 и w_0┴ = d_║/2. Отметим, что ввиду такой большой разницы между расходимостями пучка в обеих плоскостях главная ось его поперечного сечения поворачивается на 90° после распространения пучка всего на несколько микрон от выходной грани диода.

Рис. 3

(а) Однополосковый полупроводниковый лазер с волноводом, сформированным распределением показателя преломления и (б) монолитная линейка однополосковых диодных лазеров в одной полупроводниковой микросхеме

Рис. 4

(а) Монолитный блок линеек диодных лазеров длиной 1 см для излучения в непрерывном режиме и (б) сборка блоков линеек для излучения в квазинепрерывном режиме

Для того чтобы получить более высокие выходные мощности, использу­ют монолитную линейку однополосковых диодных лазеров, изготовленных на одной полупроводниковой подложке (рис 3). Обычно такая линейка содержит 20 полосок, шириной 5 мкм каждая, с расстоянием между цен­трами полосок ~10 мкм. Общие размеры излучаемого пучка составляют d\\ = 200 мкм х d_┴ = 1 мкм, так что для линеек с некоррелированными фаза­ми расходимости пучка равны ϴ_┴= 20° и ϴ_║= 5°, т. е. такие же, как и для одной полоски. Расходимость пучка ϴ_║ в плоскости, параллельной р-п пере­ходу, в этом случае примерно в 40 раз превышает дифракционный предел. На самом деле, в маломощных линейках между излучением отдельных полосок может возникать некоторая фазовая корреляция, что приводит к характерному угловому распределению излучения с двумя лепе­стками, отстоящими друг от друга на ~10° и имеющими ширину -1° каждый. Мощность излучения на выходе таких линеек может достигать -2 Вт.

Для того чтобы получить еще большие выходные мощности, можно опи­санные выше лазерные линейки изготовить и последовательно разместить на одной подложке, сформировав таким образом монолитный блок линеек диодных лазеров (рис. 4). Устройство, показанное на этом рисунке, со­стоит из 20 линеек, центры которых разнесены на 500 мкм; при этом каждая линейка имеет длину 100 мкм и состоит из 10 однополосковых лазеров. Сум­марная длина такого блока линеек составляет, таким образом, ~1 см, что является пределом, обусловленным технологией производства. Пучки от­дельных полосковых излучателей можно, как и ранее, считать некоррели­рованными по фазе, а суммарные мощности излучения на выходе блока ли­неек обычно достигают 10-20 Вт.

Идея объединять линейки диодных лазеров в блоки может быть развита дальше и использована для изготовления сборки блоков линеек, в которой от­дельные излучатели образуют двумерную матричную структуру. На рис. 4 показаны 6 блоков линеек, длиной 1 см каждый, которые уложены слоями так, чтобы сформировать излучающую площадку с размерами 0,2 см х 1 см. Такие сборки блоков линеек предназначены для квазинепрерывной работы с коэффициентом заполнения до 2%. При этом пиковая плотность мощности излучения может достигать 1 кВт/см², а средняя плотность мощности — 100 Вт/см².

При накачке лазерных материалов, таких как Nd:YAG, которые имеют узкие линии поглощения, необходимо учитывать ширину спектра излуче­ния диодных лазеров. Ширина спектра излучения одиночной полоски мо­жет составлять всего 1 нм, что хорошо согласуется, например, с шириной (-2 нм) пика поглощения Nd:YAG вблизи 808 нм. В случае линеек диодов, а тем более блоков линеек и матричных сборок этих блоков, ширина спектра излучения может быть существенно больше указанной величины из-за ком­позиционных различий между полосками, а также из-за температурных гра­диентов. Обе эти причины приводят к различию в длинах волн излучения отдельных полосковых лазеров. В настоящее время наилучшим результа­том для блока линеек является спектральная ширина ~2 нм. Перестройка и стабилизация длины волны излучения обычно осуществляется путем охла­ждения диодных лазеров: термоэлектрическим элементом Пельтье — в слу­чае маломощных устройств, и с помощью жидкостного охлаждения — в слу­чае наиболее высоких мощностей. Как правило, требуются температурная стабильность и точность установки температуры не хуже 1°С.