狭い線幅の調整可能な 1.91 μm レーザーによって励起される 2097 nm の Ho:YAG レーザー

Nov 15, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 999 (2023) この記事を引用

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この研究では、狭い線幅の調整可能な 1.91 μm レーザーに基づいた高効率 Ho:YAG レーザーを紹介します。 波長可変 Tm:YLF レーザーがポンプ光源であり、波長の連続可変範囲は 1906.04 ～ 1908.83 nm で、これは 0.41 nm 未満の線幅に相当します。 調整可能な Tm:YLF レーザーは、VBG の動作温度を変更することによって実現されます。 Ho:YAG レーザーの出力パワーは 21.04 ～ 23.53 W で、ポンプ パワー 39.8 W でのスロープ効率は 64.08 ～ 68.26% です。ポンプ波長 1907.36 nm に対応する出力パワーとスロープ効率は 23.53 W です。それぞれ68.26%。 この研究は、ポンプ波長を微調整することが室温での Ho:YAG レーザーのスロープ効率と出力を改善する効果的な方法であることを示しています。

2.1 μm レーザーは大気窓に配置され、レーザー医療 1、材料加工 2、光通信ライダー検出および測距システム 3、光パラメトリック発振器 4、5 などの用途で広く使用されています。 現在、波長 2.1 μm のレーザーを得る主なアプローチは、Ho ドープ結晶の吸収波長ピークと一致する 1.9 μm レーザーで Ho ドープ結晶を励起することです。 1.9 µm レーザーによって励起される固体レーザーは、室温で高出力、高ビーム品質、狭い線幅を備えた 2.1 µm レーザーを実現できます。 これまで、Tm ドープ固体レーザーおよび Tm ドープファイバーレーザーは、より優れたビーム品質と高出力のため、高出力 Ho:YAG レーザーのポンプ光源として使用されてきました。 シェンら。 Ho:YAG レーザーを Tm:YLF レーザーで 1907.8 nm で励起し、その出力は 103 W、スロープ効率は 67.8% であったと報告しています6。 Ho:YAG レーザーを Tm ドープファイバーレーザーで励起することは、より簡単な熱管理、より高い変換効率、より小さな体積などの特性により、よりコンパクトなアプローチとなります。 Tmドープファイバーレーザーにより1907nmでポンピングされたHo:YAGレーザーの出力36WがAntipovらによって報告されている7。

狭い線幅のポンプ光源を使用することは、ターゲットレーザーの効率を高める効果的な方法です8、9。 Ho:YAG 結晶の吸収波長ピークは 1.9 μm と狭いため、ポンプ レーザーの中心波長と線幅は Ho:YAG レーザーに大きな影響を与えます。 したがって、Ho:YAG レーザーに関する一部の研究は、狭い線幅の励起光源に焦点を当ててきました。 現在、ボリューム ブラッグ グレーティング (VBG) を使用するレーザーには、波長と狭い線幅を選択する機能があります。 チェンら。 は、VBG を備えた Tm:YLF レーザーを報告し、その出力は 1908.1 nm で 15.5 W で、これは 0.15 nm の線幅に相当します 10。 魏ら。 は、VBG を備えた狭い線幅の Tm:YLF レーザーを報告し、その出力は 1908.5 nm で 202 W であり、線幅 0.57 nm に相当します 11。 現時点では、調整可能な Tm:YLF レーザーに関する報告はほとんどありません。 シェイントップら。 は、1926 ～ 1961 nm の調整可能範囲に対応する調整可能な Tm:YLF レーザーを報告しました12。 ここで、1.91 μm での Ho:YAG 結晶の吸収断面積は 1.93 μm での吸収断面積よりも大きく、これがポンプ光の吸収を助け、より高い出力パワーを達成しました 13。 したがって、調整可能な 1.91 μm レーザーによって励起される Ho:YAG レーザーは、より高いスロープ効率と出力パワーを得る魅力的な方法です。

この研究では、狭い線幅の調整可能な 1.91 μm レーザーによって励起される Ho:YAG レーザーを提案します。 ポンプ光源は、0.41 nm 未満の線幅に相当する 1906.04 ～ 1908.83 nm の調整範囲を持つ Tm:YLF レーザーでした。 Tm:YLF レーザーのビーム品質は調整範囲全体にわたってほぼ一定のままであり、これは Ho:YAG レーザーのポンピングに有利でした。 異なるポンプ波長での Ho:YAG レーザーの出力特性が測定されます。

Tm:YLFで励起したHo:YAGレーザーの実験装置を図1に示します。

Tm:YLF レーザーによって励起される Ho:YAG レーザーの実験セットアップ。

Tm:YLF レーザーには両端ポンプ構造が使用されました。 ポンプ光源は、出力 80 W、中心波長 793 nm の 2 つのファイバー結合レーザー ダイオード (LD) でした。 ポンプビームは、ビーム整形装置を使用して直径 0.75 mm の Tm:YLF 結晶上に集束されました。 M1 は、793 nm での高透過率と 1.9 μm での高反射でコーティングされています。 M2は1.9μmでの透過率20%の平凹面鏡であり、曲率半径は150mmであった。 VBG の横サイズと厚さはそれぞれ 4 × 3 mm2 と 5 mm であった。 回折効率は室温で 1905.5 nm で 99.0% を超えました。 この構造は、室温から 210 °C まで制御できる銅製ヒートシンク上に取り付けられました。 キャビティ全体は、平凹ミラー M2、45°ダイクロイック ミラー M1、および VBG で構成されています。 この実験では、Tm:YLF レーザーの共振器長は 85 mm でした。 Tm:YLF 結晶は、サイズ 1.5 × 4 × 30 mm3、ドーピング濃度 2.0 at.% の a カットでした。 Tm:YLF 結晶の両端は、それぞれ 793 nm と 1.9 μm の反射防止コーティングでコーティングされました。 さらに、結晶をインジウム箔で包み、銅のホルダーに固定し、20 °C まで水冷しました。

Ho:YAGレーザーにはシングルエンドポンプ構造を採用しました。 ポンプレーザーは、レンズ f3 によって約 0.95 mm のビーム直径で Ho:YAG 結晶内に集束されました。 M3は、1.9μmでの高透過率と2.1μmでの高反射率を備えた45°ダイクロイックミラーでした。 M4 は、1.9 μm で高透過率、2.1 μm で高反射となるようにコーティングされています。 Ｍ５は２．１μｍでの透過率２０％の平凹面鏡であり、曲率半径は３００ｍｍであった。 さらに、キャビティ全体は、平凹面ミラー M5、45°ダイクロイック ミラー M3、および平面ミラー M4 で構成されています。 Ho:YAG レーザーの共振器長は 115 mm でした。 Ho:YAG 結晶の直径は 4 mm、長さは 50 mm、ドーピング濃度は 0.8 at.% でした。 結晶の 2 つの端面には、1.9 および 2.1 μm で反射防止コーティング (R ≤ 0.3%) が施されています。 最後に、流水を満たした銅製のホルダーに結晶を包み、温度を 20 °C に制御しました。

Tm:YLF レーザーの波長は、図 2 に示すように、実験ではフーリエ変換赤外分光計 (Nicolet iS50 FTIR) によって測定されました。Tm:YLF レーザーの波長は、VBG の動作温度によって変化しました。 波長は 1906.04 nm から 1908.83 nm に増加し、対応する VBG 動作温度は出力 39.8 W で 70 °C から 210 °C に増加しました。波長調整範囲は 2.79 nm でした。

異なる VBG 温度での波長。

Tm:YLF レーザーの出力パワーは、さまざまな VBG 温度で測定されました。 VBG の初期動作温度は 70 °C に設定され、近赤外帯域の水吸収波長による結晶損傷を避けるために 110 °C では高出力実験は実行されませんでした。 異なる VBG 温度および 105.5 W のポンプパワーでの Tm:YLF レーザーの出力パワーを図 2 に示します。同調範囲全体の最小および最大出力パワーは 39.8 および 42.9 W で、対応する出力波長は次のとおりです。それぞれ1906.04nmと1907.96nm。

異なる VBG 温度における Tm:YLF レーザーの線幅を図 3 に示します。

Tm:YLF レーザーのスペクトル。

カラーカーブは、70 °C、90 °C、130 °C、150 °C、170 °C、190 °C、210 °C の異なる VBG 温度における Tm:YLF レーザー出力スペクトルを表しています。 ここで、中心波長はそれぞれ 1906.04、1906.48、1907.36、1907.55、1907.96、1908.40、および 1908.83 nm でした。 対応する線幅は 0.39、0.38、0.35、0.41、0.34、0.34、0.35 nm でした。 Tm:YLF レーザーは狭い線幅と高い安定性を示し、その線幅は調整範囲全体で 0.34 ～ 0.41 nm でした。

10/90 ナイフエッジ技術を使用して Tm:YLF レーザーのビーム半径を測定し、ガウス フィッティングを使用してビーム品質係数を計算しました。 図4に示すように、異なる出力波長における水平方向と垂直方向のビーム品質係数は、それぞれ約3.3と3.1でした。

Tm:YLF レーザーのビーム品質係数。

ビーム品質は調整範囲全体にわたってほぼ一定のままであり、Ho:YAG レーザーの励起には有利でした。 したがって、安定したビーム品質、1906.04 ～ 1908.83 nm の調整範囲、および 39.8 W の出力を備えた狭い線幅 1.91 μm のソースが得られました。

室温 (20 °C) での 1902 ～ 1912 nm の範囲で測定された Ho:YAG 結晶の吸収スペクトルは、図 5 の黒い線で表されます。赤い四角は Ho:YAG レーザーの最大出力を表します。出力パワーは、1906.04 ～ 1908.83 nm の同調範囲で Ho:YAG 吸収スペクトルとよりよく一致しました。 結果は、異なるポンプ波長での透過率が Ho:YAG レーザー出力パワーに影響を与えることを実証しました。

20 °C での 0.8 at.% ドープ Ho:YAG の吸収スペクトルと出力。

Ho:YAG レーザーの可変ポンプ波長に対する出力特性を表 1 に示します。異なるポンプ波長での Ho:YAG レーザーの出力パワーを比較すると、出力パワーは 21.04 ～ 23.53 W であり、対応するスロープ効率は 64.08 ～ 68.26% でした。 さらに、変換効率は調整範囲全体にわたって 52.86 ～ 59.12% でした。 さらに、このレーザーはさまざまなポンプ波長で高い変換効率を有しており、ポンプ波長を微調整することで Ho:YAG レーザーのより高い出力を得ることができました。

Ho:YAG レーザーの出力パワーと可変ポンプパワーの関係を図 6 に示します。ポンプパワーは、1906.04、1907.36、および 1908.83 nm の異なる波長で 39.8 W でした。 ここで、Ho:YAG レーザーの最大出力はそれぞれ 22.55、23.53、21.04 W でした。 対応するスロープ効率 η は 66.70%、68.26%、および 64.08% であり、対応する変換効率は 56.66%、59.12%、および 52.86% でした。 異なるポンプ波長での吸収飽和現象はありません。

Ho:YAGレーザーの出力。

Ho:YAG レーザーのスペクトルは、フーリエ変換赤外分光計 (Nicolet iS50 FTIR) を使用して測定しました。 図 7 に示すように、半値全幅 (FWHM) は 0.65 nm、波長ピークは 2097.38 nm でした。

Ho:YAG レーザーのスペクトル。

ビーム半径は、90/10 ナイフエッジ技術を使用して 23.53 W の出力で測定されました。 ビーム品質係数 M2 は、図 8 に示すように、ガウス フィッティングを使用して計算されました。水平方向と垂直方向のビーム品質係数は、それぞれ 2.4 と 2.8 でした。 図 8 の挿入図は、焦電カメラ (Pyrocam III、Spiricon) によって記録された横ビーム プロファイルを示しています。

Ho:YAGレーザーのビーム品質係数測定。

この研究では、狭い線幅の調整可能な 1.91 μm レーザーによって励起される Ho:YAG レーザーを実証しました。 ポンプ レーザーは、出力 39.8 W、調整可能範囲 1906.04 ～ 1908.83 nm (0.41 nm 未満の線幅に相当) の Tm:YLF レーザーでした。 Tm:YLF レーザーのビーム品質は、調整範囲全体にわたってほぼ一定のままでした。 Ho:YAG レーザーの出力は 21.04 ～ 23.53 W で、対応するスロープ効率は 64.08 ～ 68.26% でした。 さらに、変換効率は調整範囲全体にわたって 52.86 ～ 59.12% でした。 Ho:YAG レーザーは、さまざまなポンプ波長で 2097.38 nm、線幅 0.65 nm で安定して動作しました。 この研究は、ポンプ波長が 1906.04 ～ 1908.83 nm の範囲で Ho:YAG レーザーの出力性能に影響を与えることを示しています。 1097.36 nm のポンプ波長では、Ho:YAG レーザーの出力パワーとスロープ効率はそれぞれ最大 68.26% と 23.53 W に達します。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国科学院の科学機器開発プロジェクト (YJKYYQ20210045)、パルスパワーレーザー技術国家重点実験室 (SKL2021KF04)、中国国家自然科学財団 (61875198、61775212) の支援を受けました。

リー・ジヨン

現在の住所: 中国科学院航空宇宙情報研究所レーザーエンジニアリングセンター、北京、100094、中国

中国科学院航空宇宙情報研究所レーザーエンジニアリングセンター、北京、100094、中国

Juntao Tian、Lili Zhao、Hai Wang、Rongqing Tan

中国科学院大学電子電気通信工学部、北京、100049、中国

Juntao Tian、Lili Zhao、Zhiyong Li、Hai Wang、Rongqing Tan

国家重点パルスパワーレーザー技術研究所、電子対策学部、国立国防技術大学、合肥、230037、中国

ジンティアン・ビアン & チン・イェ

安徽先端レーザー技術研究所、電子対策学部、国立国防技術大学、合肥、230037、中国

ジンティアン・ビアン & チン・イェ

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JTT は実験を実行し、データ分析を実行し、原稿を書きました。 LLZ と ZYL は研究の構想に貢献しました。 JTBとQYはデータ分析を実施し、数値を作成した。 HW は波長可変レーザー システムを構築し、分光測定を実施しました。 RQT は建設的な議論により分析を支援しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

Juntao Tian または Zhiyong Li への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Tian、J.、Zhao、L.、Li、Z. 他。 狭い線幅の調整可能な 1.91 μm レーザーによって励起される 2097 nm の Ho:YAG レーザー。 Sci Rep 13、999 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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受信日: 2022 年 10 月 1 日

受理日: 2023 年 1 月 10 日

公開日: 2023 年 1 月 18 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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