Твердотельные лазеры с диодной накачкой

ФИЗИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ В. И. ЧИЖИКОВ Кубанский государственный университет, Краснодар

ВВЕДЕНИЕ

DIODE PUMPED SOLID STATE LASERS V. I. CHIZH IKOV

Modern optoelectronic technologies need miniature lasers. The semiconductor lasers cannot be used for these purposes without complex optical systems. Therefore, diode pumped microchip lasers have been developed. Some of their physical and technical features are described.

© Чижиков В.И., 2001

Для современных оптоэлектронных технологий необходимы миниатюрные лазеры. Полупроводниковые лазеры без дорогостоящей формирующей оптики нельзя использовать для этих целей, поэтому были разработаны микрочиповые лазеры с диодной накачкой. Рассматриваются их некоторые физические и технические особенности.

www.issep.rssi.ru

Завершившийся XX век невероятно богат открытиями и изобретениями в различных областях человеческой деятельности. Одно из них – создание источника света, получившего название “лазер”, которому скоро исполнится сорок лет. Его рождению обязан своим развитием раздел физики, называемый нелинейной оптикой. Кроме того, лазеры сами по себе широко применяются в науке, технике и медицине [1]. К ним относится большая группа твердотельных лазеров, в которых активная кристаллическая или аморфная среда испускает стимулированное излучение. Для того чтобы твердотельная лазерная среда могла излучать, в нее внедряют (активируют) примесные ионы, которые возбуждают (накачивают) тем или иным способом. В зависимости от типа активаторных ионов, их концентрации и используемой кристаллической матрицы лазерное излучение генерируется с разной эффективностью и на разных длинах волн. Существуют активные среды, в которых активатор испускает излучение в широком спектральном диапазоне. Такие лазерные кристаллы применяют для создания перестраиваемых лазеров. К наиболее эффективным перестраиваемым лазерам относятся титан-сапфировые лазеры, которые могут перестраиваться в области длин волн 0,64–1,05 мкм. Для расширения набора частот лазерного излучения используются и нелинейные процессы [2]. Нелинейно-оптические процессы преобразования частот также позволяют получать плавно перестраиваемое по частоте когерентное излучение. При использовании лазера наряду с длиной волны излучения часто оказываются существенными и другие его характеристики. Например, ширина линии излучения лазера (спектральная ширина) определяет возможность использования лазера для оптических измерений. В принципе для оптической метрологии нужны лазеры как можно с меньшей шириной линии излучения. Кроме того, в зависимости от характера применения лазера могут потребоваться различные режимы его работы (импульсный, непрерывный и др.). Для получения стимулированного излучения лазерную среду надо возбудить. Методы возбуждения зависят от типа лазера. Например, в газовых лазерах накачка

Ч И Ж И К О В В . И . Т В Е Р Д О Т Е Л Ь Н Ы Е Л А З Е Р Ы С Д И О Д Н О Й Н А К АЧ К О Й

103

ФИЗИКА осуществляется с помощью газового разряда, в твердотельных лазерах для этих целей используется лампа накачки, а в диодных лазерах – электронное возбуждение (электрический ток). Лампы накачки в основном представляют собой разрядные лампы, наполненные инертным газом. В качестве источников накачки очень эффективны криптоновые и ксеноновые лампы, но у многих лазерных кристаллов плохое совмещение спектра лампы с линиями поглощения активатора. Кроме того, излучение газоразрядных ламп плохо фокусируется, для них нужны водяное охлаждение и высокое напряжение. Рекордные результаты для лазеров с лампой накачки (КПД порядка 10%) были достигнуты за счет эффекта сенсибилизации люминесценции. Немногим более десяти лет назад при разработке новых кристаллических сред для твердотельных лазеров значительное внимание уделялось поиску материалов, обладающих интенсивными полосами поглощения в широком спектральном диапазоне для эффективного использования широкополосного излучения газоразрядного источника накачки. В настоящее время в качестве источников накачки для твердотельных лазеров широко используются полупроводниковые инжекционные лазеры, применение которых обеспечивает существенное увеличение КПД твердотельных лазеров. Для такого типа лазеров нужны соответствующие активные среды. В статье обсуждаются некоторые физические и технические особенности лазеров с диодной накачкой. Существенное преимущество этого типа накачки связано с тем, что излучение лазерных диодов спектрально согласуется с полосами поглощения активаторных ионов в генерирующем кристалле. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ Для создания полупроводниковых лазеров используется свойство p–n-перехода – при рекомбинации электронов проводимости и дырок освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов или превращаться в тепло. Лазер на p–n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные p–n-переходу, образуют оптический резонатор; инверсия электронно-дырочных пар достигается пропусканием прямого тока через диод. Наиболее эффективными для полупроводникового лазера оказались гетероструктуры (неоднородные структуры), в которых активный p–n-полосок заключен между двумя полупроводниковыми переходами: один (типа p–n) служит для инжекции электронов, а второй (типа p–p) отражает инжектированные электроны,

104

препятствуя их диффузии из активного полоска. Гетероструктуры имеют преимущество перед обычной p–nобластью: при одинаковом токе накачки достигается большая концентрация электронно-дырочных пар. В полупроводниковом лазере стимулированное излучение распространяется вдоль диэлектрического волновода, образованного p–n-полоском. Первые лазерные диоды были разработаны еще в 1962 году. Однако потребовалось более десяти лет, чтобы поднять температуру их функционирования от температуры жидкого азота до комнатной. Типичные размеры области излучения диода составляют приблизительно 1 × 100 мкм, а длина лазерного резонатора равна ∼ 250 мкм. Для увеличения выходной мощности излучения полупроводникового лазера p–n-переходы реализуют в виде многополосковой матрицы, в которой p–n-области соседствуют друг с другом на расстоянии ∼10 мкм. С помощью одного лазерного диодного полоска может быть достигнута выходная мощность ∼10 Вт. При увеличении плотности мощности появляются проблемы с отводом тепла от полупроводникового лазера и, кроме того, может разрушиться выходное окно полоска. Несмотря на эти проблемы, с помощью лазерных диодных матриц в лабораторных условиях получают выходную мощность более 1 кВт. Эффективность полупроводникового лазера может достигать более 50%, типичная эффективность составляет ∼ 30%, то есть при выходной мощности ∼ 3 Вт полупроводниковый лазер потребляет ∼10 Вт. Энергия порядка 7 Вт поглощается в форме тепла, которое нужно рассеять. В противном случае существенные температурные изменения могут стать причиной сдвига длины волны, на которой излучает диод, и потери эффективности. Чтобы обеспечить оптимальное перекрытие спектров излучения накачки и поглощения в лазерном кристалле, температурный сдвиг длины волны должен быть минимизирован. При коэффициенте сдвига 0,3 нм/°С изменение температуры должно находиться в пределах ±1°С. Такую температурную стабилизацию обычно реализуют с помощью холодильника Пельтье. Современные лазерные диоды, используемые для накачки, имеют спектральную ширину излучения ∼1 нм, мощность ∼1–10 Вт и ресурс работы ∼104 ч. Из-за короткого оптического резонатора и малых поперечных размеров активного слоя дифракционная расходимость генерируемого излучения во внешней среде оказывается значительной. В плоскости, перпендикулярной p–n-переходу, она измеряется десятками градусов (до 50°). В ортогональной плоскости расходимость на порядок меньше (1–5°). Это обусловливает различный профиль пучка в соответствующих плоскостях,

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 8 , 2 0 0 1

ФИЗИКА и для согласования осесимметричного объема лазерного кристалла с асимметричной диаграммой направленности излучения диода необходима довольно сложная оптическая система линз и призм. НЕОДИМОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ К существенным особенностям современной техники самого разного назначения относятся высокая надежность и миниатюрность исполнения технических устройств. Миниатюризация приборов и устройств традиционно связывается с использованием микроэлектроники. Однако сейчас размеры и вес электронных блоков стали уже столь малыми по сравнению с другими компонентами, например механическими и оптическими, что на первый план выходит именно проблема уменьшения последних. Эта проблема может быть решена использованием миниатюрных источников излучения на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой. На практике широкое распространение получили твердотельные неодимовые лазеры c длиной волны стимулированного излучения 1,06 мкм. В качестве примера активных сред для таких лазеров можно указать Nd : YAG (алюмоиттриевый гранат), Nd : YSGG (иттрий-скандий-галиевый гранат), Nd : YAB (алюмоиттриевый борат), Nd : YVO4 (ванадат иттрия), Nd : GdVO4 (ванадат гадолиния), Nd : LSB (скандоборат лантана) и др. Популярность ионов неодима в качестве активатора обусловлена его структурой лазерных уровней. Твердотельные лазеры на оксидных средах возбуждают разными оптическими источниками, так как прямое электронное возбуждение невозможно из-за малой электропроводности лазерных кристаллов. Однако миниатюризация лазерных устройств с газоразрядными лампами накачки невозможна. В качестве источников накачки стали широко применять полупроводниковые инжекционные лазеры. Лазеры на основе AlGaAs-диодов c гетерогенной структурой работают с низким напряжением. Монохроматическим излучением диода можно селективно возбуждать верхний уровень лазерного кристалла. Эффективность накачки свыше 80% и тепловая нагрузка сокращаются до минимума, излучение диодного лазера можно фокусировать. Как уже отмечалось, большие мощности достигаются сбором единичных полосков в так называемые матрицы. Получаемые таким способом выходные мощности достигают нескольких десятков ватт. Однако излучение высокомощного лазерного диода труднее поддается фокусировке. Чтобы эффективное поперечное сечение фокуса накачки оставалось маленьким,

накачиваемый лазерный кристалл должен иметь по возможности большой коэффициент поглощения. При использовании лазерного диода для накачки активного элемента твердотельного лазера могут быть реализованы два способа: торцевая и боковая накачка. В первом случае излучение диода с помощью системы линз фокусируется с торца лазерного стержня, а во втором – со стороны его боковой поверхности. С точки зрения повышения мощности стимулированного излучения боковая накачка имеет преимущество перед торцевой накачкой. Следует подчеркнуть, что максимальная мощность лазеров с диодной накачкой в настоящее время превышает 1 кВт. Не вдаваясь в детали анализа достоинств и недостатков полупроводниковой накачки, отметим, что изза относительно высокой дифракционной расходимости излучения полупроводниковых лазеров основные ее преимущества могут быть эффективно реализованы в лазерах с малой (порядка одного миллиметра) длиной активного элемента. В этом случае плотность мощности излучения накачки в активном элементе может достигать 0,1 МВт/см2 без применения дорогостоящей формирующей оптики. Для поглощения более 95% излучения накачки в таком активном элементе концентрация ионов неодима для неодимовых лазеров должна быть не менее 4 ⋅ 1020 см− 3. Повышение эффективности твердотельных лазеров с диодной накачкой может быть достигнуто за счет оптимизации резонатора, согласующей оптики и источника накачки. Решение же проблемы в целом невозможно без создания новых активных сред, обладающих эффективным поглощением в спектральном диапазоне источника диодной накачки. Высокие коэффициенты поглощения могут быть достигнуты как кардинальным увеличением концентраций активаторных ионов (при условии слабого концентрационного тушения люминесценции), так и применением эффекта сенсибилизации люминесценции. В этой связи высококонцентрированные активные среды для лазеров с полупроводниковой накачкой играют принципиальную роль. КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Возможность промышленного применения того или иного лазерного материала определяется не только концентрацией активатора, но и другими его физическими свойствами, такими, как поперечные сечения переходов при генерации и поглощении, время жизни возбужденного состояния, лазерная и механическая прочность, теплопроводность и т.д. Не менее важным является технологическая доступность материала, то есть возможность выращивания высококачественных кристаллов. Из сотен исследованных до настоящего

Ч И Ж И К О В В . И . Т В Е Р Д О Т Е Л Ь Н Ы Е Л А З Е Р Ы С Д И О Д Н О Й Н А К АЧ К О Й

105

ФИЗИКА Таблица 1. Спектроскопические, генерационные и тепловые характеристики кристаллов для лазеров с полупроводниковой накачкой Максимальный Лазерные Время жизни τ Объемная коэффициент поглокристаллы, лазерного уровконцентрация щения в окрестности активированные ня 4F3/2 , мкс неодима, см− 3 λP = 0,81 мкм, см−1 неодимом YAG YVO4 LSB

1,5 ⋅ 1020 1,4 ⋅ 1020 4,5 ⋅ 1020

10 31 36

3,3 ⋅ 10−19 9,8 ⋅ 10−19 1,3 ⋅ 10−19

240 90 118

2,4 2,0 12,0

12 5 4

времени лазерных кристаллических матриц в коммерческих целях применяются единицы.

зер будет излучать на длине волны 1,06 мкм (ближняя инфракрасная область спектра).

В настоящее время для твердотельных неодимовых лазеров с диодной накачкой используются кристаллы Nd : YAG, Nd : YVO4 и Nd : LSB. Их сравнительные характеристики приведены в табл. 1. Видно, что универсальным набором спектроскопических, генерационных и тепловых характеристик не обладает ни один из этих кристаллов. По величине ширины пика поглощения в окрестности 0,81 мкм следует отдать предпочтение Nd : LSB, тогда как по теплопроводности и пороговой плотности мощности он уступает кристаллам Nd : YAG и Nd : YVO4 . Сечения стимулированного излучения для 4 основного лазерного перехода 4F3/2 I11/2 в Nd : LSB и Nd : YAG сравнимы, но по этому параметру оба кристалла уступают Nd : YVO4 . Учитывая, что реальные лазеры с диодной накачкой на кристаллах Nd : LSB, Nd : YAG и Nd : YVO4 работают далеко за пределом пороговой плотности мощности, этот дефект можно не принимать во внимание. Благодаря линейной поляризации стимулированного излучения лазеры с диодной накачкой на кристаллах Nd : LSB и Nd : YVO4 предпочтительнее для реализации внутрирезонаторного удвоения частоты стимулированного излучения.

Эффективное внутрирезонаторное удвоение частоты требует наличия резонатора с наименьшими потерями. Кристаллические потери в Nd : LSB составляют 7 ⋅ 10− 5 на один проход резонатора. Потери в диэлектрическом слое в среднем выглядят так же. Поэтому хорошо иметь как можно меньшее количество диэлектрических слоев в резонаторе. Это достигается тем, что зеркало резонатора устанавливают непосредственно на лазерный кристалл и нелинейный кристалл.

Важно подчеркнуть, что благодаря высокой концентрации ионов неодима на основе кристалла Nd : LSB можно реализовать миниатюрный лазер с диодной накачкой без фокусирующей оптики. На рис. 1 приведена функциональная схема микрочипового лазера с диодной накачкой и активным элементом из кристалла Nd : LSB (интерференционные покрытия нанесены непосредственно на рабочие грани элементов), работающего в непрерывном режиме. Его характерные параметры следующие: пороговая мощность излучения накачки 100 мВт; мощность стимулированного излучения 500 мВт при мощности излучения накачки 1 Вт. В представленной схеме лазера для получения выходного излучения с длиной волны 0,53 мкм (зеленая область спектра) используется внутрирезонаторная генерация второй гармоники на нелинейном кристалле КТР (фосфат титанила калия). Без кристалла КТР ла-

106

Сечение стимулиро- Пороговая плотТеплопрованного излучения σem ность мощности водность, hω для лазерного перехо----------p- , кВт ⋅ см− 2 Вт/(м ⋅ К) 4 4 2 I11/2 , см да F3/2 σ em τ

Однако таким лазерам присущ существенный недостаток, связанный с временной нестабильностью излучения на частоте второй гармоники. Один из возможных способов улучшения генерационных характеристик таких лазеров и упрощения их конструкции состоит в замене активного элемента и нелинейного элемента на один – активно-нелинейный элемент. Кристаллы, обладающие подобными свойствами, известны, например Nd : YAl3(BO3)4(Nd : YAB). По своим спектроскопическим и генерационным характеристикам этот кристалл во многом подобен Nd : LSB, а по величине эффективной нелинейной восприимчивости уступает KTP. В настоящее время в качестве активно-нелинейного кристалла для неодимовых лазеров с диодной накачкой предложен Nd : CSB (скандоборат церия), который по своим лазерным свойствам подобен Nd : LSB, по акЛазерное излучение

λ = 808 нм

λ = 531 нм

Лазерный диод KTP

Nd : LSB

0,2 × 0,2 × 0,5 мм

0,2 × 0,2 × 0,5 мм

0,01 мм

Рис. 1. Неодимовый лазер с диодной накачкой

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 8 , 2 0 0 1

ФИЗИКА тивно-нелинейным свойствам – Nd : YAB, по нелинейным свойствам – KTP, KDP. В позицию лантана кристалла LSB можно вводить не только ион неодима, но и ион празеодима как имеющего близкий к иону лантана эффективный радиус, а в позицию скандия – ионы эрбия, иттербия и хрома. Тем самым кристаллическая матрица LSB является перспективной для создания таких лазерных сред, как Er, Yb : LSB; Er, Yb, Cr : LSB и Pr : LSB. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Прогресс в области разработки и применения лазеров с диодной накачкой связан, с одной стороны, с кардинальным повышением ресурса работы лазерных диодов и улучшением их генерационных характеристик, а с другой – с созданием новых лазерных сред с высокой концентрацией редкоземельных активаторных ионов. Мы рассматривали только неодимовые лазеры с полупроводниковой накачкой, излучающие на длине волны 0,53 и 1,06 мкм. Однако новое поколение твердотельных лазеров с диодной накачкой может работать в широком спектральном диапазоне. В качестве допол-

нительной литературы по обсуждаемой теме можно рекомендовать читателю статью [3]. Автор признателен профессору Н.В. Кравцову за замечания по этой работе. ЛИТЕРАТУРА 1. Сэм М.Ф. Лазеры и их применение // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 111–117. 2. Слабко В.В. Нелинейно-оптическое преобразование частот // Там же. 1999. № 5. С. 105–111. 3. Bruce D. Sinclair. Frequency-Doubled Microchip Lasers // Opt. Materials. 1999. Vol. 11. P. 217–233.

Рецензент статьи Н.В. Кравцов *** Владимир Иванович Чижиков, кандидат физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой теоретической физики и компьютерных технологий Кубанского университета. Область научных интересов – кристаллооптика, информационные технологии. Автор более 100 научных работ, двух монографий и шести учебных пособий.

Ч И Ж И К О В В . И . Т В Е Р Д О Т Е Л Ь Н Ы Е Л А З Е Р Ы С Д И О Д Н О Й Н А К АЧ К О Й

107