Геометрия астигматизма термической линзы в анизотропном лазерном кристалле Nd3+:KGd(WO4)2

УДК 538.958;621.373.826

ГЕОМЕТРИЯ АСТИГМАТИЗМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ В АНИЗОТРОПНОМ ЛАЗЕРНОМ КРИСТАЛЛЕ Nd3+:KGd(WO4)2

НИИ оптических материалов и технологий,

Белорусский национальный технический университет

*****@***by, тел. [phone]

Кристалл калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2, активированный трехвалентными ионами неодима Nd3+ (Nd:KGW), является перспективной средой для создания твердотельных лазеров с ламповой и диодной накачкой [1-4]. Это связано с высокими предельными концентрациями примесных ионов (вплоть до 8 at.%), которые приводят к увеличению эффективности лазерной генерации и снижению ее порога (в окрестности длин волн 1 и 1.3 мкм), по отношению к традиционной среде – кристаллу Nd:YAG [1, 4]. Основное негативное свойство данного кристалла – относительно низкий коэффициент теплопроводности (~3 Вт/мК), который приводит к возникновению в активных элементах на основе данного кристалла значительных термооптических искажений (главным образом термической линзы) [1]. Стандартная ориентация активных элементов (АЭ) соответствует распространению излучения вдоль кристаллографической оси b (совпадающей с осью оптической индикатрисы Np) в кристалле KGW. Компенсация термооптических искажений может быть достигнута вырезкой кристалла вдоль атермального направления [1-3]. Теоретический расчет таких направлений затруднен неопределенность данных о термооптических параметрах среды KGW. Поэтому актуальным представляется экспериментальное определение параметров термической линзы в кристаллах различной ориентации.

Рисунок 1 Ориентация исследуемых активных элементов из кристалла Nd:KGW относительно осей оптической индикатрисы (Np, Nm, Ng), кристаллографических осей (a, b, c) и главных осей тензора линейного термического расширения (X1’, X2’, X3’). Слева – АЭ Np - и Ng-Nd:KGW, справа –П-Nd:KGW, Н – направление, принадлежащее плоскости осей Ng-Nm

Целью данной работы является сравнительный анализ параметров термической линзы в лазерных кристаллах Nd:KGW в условиях ламповой накачки. Для этого было изготовлено три АЭ из Nd(3at.%):KGW, ориентация которых относительно осей оптической индикатрисы (Np, Nm, Ng), кристаллографических осей (a, b, c) и главных осей тензора линейного термического расширения (X1’, X2’, X3’) показана на рис.1. Оси двух АЭ были ориентированы параллельно осям оптической индикатрисы Np (в стандартной ориентации) и Ng – соответственно Np-Nd:KGW и Ng-Nd:KGW. Ось третьего АЭ не совпадала ни с одной из осей оптической индикатрисы (П-Nd:KGW). Данная «произвольная» ориентация использовалась для качественной проверки данных по геометрии астигматизма термической линзы в кристалле Nd:KGW. Все три АЭ имели цилиндрическую форму и размеры Æ4 мм (диаметр) × 63 мм (длина), на торцы АЭ было нанесено просветляющее покрытие на длину волны 1.06 мкм.

Для определения параметров термической линзы в АЭ использовался метод пробного пучка в отсутствие лазерного резонатора. Пробное излучение (ТЕМ00 мода, длина волны 633 нм) от Не-Ne лазера было линейно поляризованным. Для всех АЭ вектор поляризации пробного излучения Eпроб ориентировался параллельно и перпендикулярно к направлению поляризации выходного излучения лазера на данном АЭ Eген. Выходное излучение лазеров на основе кристаллов Np-Nd:KGW и Ng-Nd:KGW поляризовано параллельно оси Nm, ориентация вектора поляризации выходного излучения лазера на кристалле П-Nd:KGW не совпадает ни с одной из осей оптической индикатрисы. Лазерные эксперименты проводились в плоскопараллельном резонаторе. Коэффициент отражения выходного зеркала на длине волны лазерной генерации 1.06 мкм был равен 55%, длина резонатора составляла 28 мм.

Рисунок 2. Пространственные профили зондирующего пучка, прошедшего через активные элементы (а, г) Np-Nd:KGW, (б, д) Ng-Nd:KGW и (в, е) П-Nd:KGW. Епроб и Еген – вектора поляризации пробного пучка и излучения, генерируемого лазером на данном активном элементе, соответственно. Np, Nm и Ng – направления осей оптической индикатрисы для кристалла KGW. Х1¢, Х2¢ и Х3¢ – направления осей эллипсоида коэффициентов термического расширения для кристалла KGW. Пунктирными кривыми показаны эллипсы сечения эллипсоида коэффициентов термического расширения плоскостью, перпендикулярной к направлению распространение пучка зондирующего света.

Профили моды пробного пучка, прошедшего через накачиваемый активный элемент, в дальней зоне при высоких уровнях накачки приведены на рис. 2 для всех АЭ (для различных поляризаций зондирующего излучения). На этом же рисунке показаны направления осей оптической индикатрисы (для Np - и Ng-Nd:KGW), а также направление вектора поляризации Еген излучения, генерируемого лазером на П-Nd:KGW. Во всех приведенных профилях пучка наблюдается астигматизм, степень которого возрастает при увеличении мощности накачки. Это приводит к тому, что профиль пробного пучка приобретает эллиптический вид. Ориентация полуосей эллипсов не изменяется при увеличении мощности накачки. Астигматизм наиболее сильно выражен для кристаллов Np-Nd:KGW и П-Nd:KGW. Направления большей и меньшей полуосей эллиптического профиля пробного пучка обозначены как А и Б соответственно.

Для элемента Np-Nd:KGW для обеих поляризаций зондирующего излучения направления А и Б составляют углы ~33º с осями оптической индикатрисы Ng и Nm соответственно. При этом они достаточно хорошо совпадают с направлениями осей Х3’ и Х1’ эллипсоида коэффициентов термического расширения в кристалле KGW. Для элемента Ng-Nd:KGW при зондировании светом, поляризованным параллельно оси Nm, направление А параллельно оси Np, а направление Б – оси Nm. При этом направления А и Б совпадают соответственно с направлениями малой и большой полуосей эллипса сечения эллипсоида коэффициентов термического расширения плоскостью Np-Nm (т. е. сечения эллипсоида, перпендикулярного направлению распространения света в АЭ). Малая полуось данного эллипса сечения параллельна оси Х2’, а большая – оси Nm. Если же вектор поляризации зондирующего пучка параллелен оси Np, то направления А и Б поворачиваются на 90º и совпадают с направлениями осей Nm и Np соответственно.

Для элемента П-Nd:KGW ориентации направлений А и Б одинаковы при зондирования светом с вектором поляризации Епроб, параллельным и перпендикулярным вектору Еген. Направления А и Б составляют углы ~22º с направлениями || Еген и ^ Еген соответственно. При этом они достаточно хорошо совпадают соответственно с направлениями большой и малой полуосей эллипса сечения эллипсоида коэффициентов термического расширения плоскостью, перпендикулярной к направлению распространение зондирующего света.

Для активного элемента Np-Nd:KGW с ростом средней мощности накачки размер пробного пучка увеличивается в направлении А и уменьшается в направлении Б. Моделирование экспериментальных данных с помощью АВСD-метода показывает, что увеличение размера пробного пучка при возрастании мощности накачки соответствует рассеивающей, а уменьшение его размера – собирающей термической линзе активного элемента. Таким образом, в элементе Np-Nd:KGW оптическая сила термической линзы D>0 в направлении Б и D<0 в направлении А. Для активного элемента Ng-Nd:KGW при увеличении средней мощности накачки пробный пучок испытывает сжатие в обоих направлениях А и Б. В обоих направлениях А и Б термическая линза является собирающей (т. е. её оптическая сила D>0). Для активного элемента П-Nd:KGW пробный пучок испытывает соответственно растяжение и сжатие в направлениях А и Б с ростом средней мощности накачки. Для него термическая линза является отрицательной (D<0) в направлении А и положительной (D>0) в направлении Б.

С возрастанием уровня накачки поперечный профиль выходного пучка генерации лазеров на исследуемых активных элементах становится астигматическим, что особенно сильно проявляется для лазеров на Np-Nd:KGW и П-Nd:KGW. При этом характер деформации пучка генерации для всех исследуемых лазеров качественно совпадает с деформацией поперечного профиля пробного пучка с поляризацией Епроб || Еген в экспериментах с использованием зондирующего излучения.

Таким образом, совокупность данных по деформации пространственного профиля пробного пучка, прошедшего через накачиваемый активный элемент, и деформации пучка выходного излучения лазера на исследуемом активном элементе в дальней зоне позволяет заключить, что геометрия астигматизма термической линзы в активных элементах Np-, Ng- и П-Nd:KGW определяется главным образом анизотропией термического расширения кристалла KGW. В Ng-Nd:KGW термическая линза является положительной, в то время как в Np - и П-Nd:KGW она имеет различные знаки для лучей, лежащих в различных меридиональных плоскостях. При этом термическая линза в Ng-Nd:KGW имеет меньшую степень астигматизма по сравнению с Np - и П-Nd:KGW.

Литература

1. I. V. Mochalov, Opt. Eng., 1997, Vol. 36, 1660.

2. V. V. Filippov, N. V. Kuleshov, I. T. Bodnar, Appl. Phys. B, 2007, Vol. 87, 611-614.

3. S. Biswal, S. P. O’Connor, S. R Bowman, Appl. Opt., 2005, Vol. 44, №15, 3093-3097.

4. A. A. Kaminskii, J. B. Gruber, S. N. Bagaev, et. al., Phys. Rev. B., 2002, Vol. 65, 1-29.

Научный руководитель – д. физ.-мат. н., профессор, директор НИИ оптических материалов и технологий БНТУ