Laser Ho:YAG à 2097 nm pompé par un laser à largeur de raie étroite de 1,91 μm

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 999 (2023) Citer cet article

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Cette étude présente un laser Ho:YAG à haute efficacité basé sur un laser accordable à largeur de raie étroite de 1,91 μm. Un laser Tm:YLF accordable est la source de pompage et l'accordabilité continue en longueur d'onde va de 1906,04 à 1908,83 nm, correspondant à une largeur de raie inférieure à 0,41 nm. Le laser Tm:YLF accordable est obtenu en modifiant la température de fonctionnement du VBG. La puissance de sortie du laser Ho:YAG est comprise entre 21,04 et 23,53 W et l'efficacité de pente est comprise entre 64,08 et 68,26 % à la puissance de pompe de 39,8 W. La puissance de sortie et l'efficacité de pente correspondant à la longueur d'onde de pompe de 1907,36 nm sont de 23,53 W et 68,26 %, respectivement. Cette étude montre que le réglage fin de la longueur d'onde de la pompe est un moyen efficace d'améliorer l'efficacité de la pente et la puissance de sortie du laser Ho:YAG à température ambiante.

Un laser de 2,1 μm est situé dans la fenêtre atmosphérique et largement utilisé dans des applications telles que le laser médical1, le traitement des matériaux2, les systèmes de détection et de télémétrie lidar de communication optique3 et les oscillateurs paramétriques optiques4,5. À l'heure actuelle, l'approche principale pour obtenir des lasers avec des longueurs d'onde à 2,1 μm consiste à pomper un cristal dopé Ho avec un laser de 1,9 μm qui coïncide avec le pic de longueur d'onde d'absorption du cristal dopé Ho. Un laser à semi-conducteur pompé par un laser de 1,9 µm peut obtenir un laser de 2,1 µm avec une puissance élevée, une qualité de faisceau élevée et une largeur de raie étroite à température ambiante. Jusqu'à présent, les lasers à semi-conducteurs dopés au Tm et à fibre dopée au Tm étaient utilisés comme sources de pompage dans un laser Ho:YAG haute puissance en raison de la meilleure qualité du faisceau et de la puissance supérieure. Shen et al. ont rapporté un laser Ho:YAG pompé avec un laser Tm:YLF à 1907,8 nm, et la puissance de sortie était de 103 W avec une efficacité de pente de 67,8%6. Le pompage du laser Ho:YAG avec un laser à fibre dopée Tm est une approche plus compacte en raison de qualités telles qu'une gestion thermique plus simple, une efficacité de conversion plus élevée et un volume plus petit. Une puissance de sortie de 36 W pour le laser Ho:YAG pompé à 1907 nm par un laser à fibre dopée Tm a été rapportée par Antipov et al.7.

L'utilisation d'une source de pompage à largeur de raie étroite est un moyen efficace d'augmenter l'efficacité du laser cible8,9. La longueur d'onde centrale et la largeur de raie d'un laser de pompe ont une grande influence sur le laser Ho: YAG en raison du pic de longueur d'onde d'absorption étroit du cristal Ho: YAG à 1,9 μm. Par conséquent, certaines recherches sur le laser Ho: YAG se sont concentrées sur les sources de pompage à largeur de raie étroite. Actuellement, les lasers utilisant le réseau de Bragg volumique (VBG) ont la capacité de sélectionner la longueur d'onde et la largeur de raie étroite. Chen et al. ont rapporté un laser Tm:YLF avec un VBG, et la puissance de sortie était de 15,5 W à 1908,1 nm, correspondant à la largeur de raie de 0,15 nm10. Wei et al. ont rapporté un laser à largeur de raie étroite Tm:YLF avec un VBG, et la puissance de sortie était de 202 W à 1908,5 nm, correspondant à une largeur de raie de 0,57 nm11. À l'heure actuelle, il existe peu de rapports sur les lasers Tm:YLF accordables. Sheintop et al. ont rapporté un laser Tm: YLF accordable, correspondant à une plage accordable de 1926 à 1961 nm12. Ici, la section transversale d'absorption du cristal Ho:YAG à 1,91 μm était supérieure à celle à 1,93 μm, ce qui a contribué à l'absorption de la lumière de pompage et a permis d'obtenir une puissance de sortie plus élevée13. Par conséquent, un laser Ho:YAG pompé par un laser accordable de 1,91 μm est une méthode attrayante pour obtenir une efficacité de pente et une puissance de sortie plus élevées.

Cette étude propose un laser Ho:YAG pompé par un laser accordable à largeur de raie étroite de 1,91 μm. La source de pompage était un laser Tm: YLF avec une plage accordable de 1906,04 à 1908,83 nm, correspondant à une largeur de raie inférieure à 0,41 nm. La qualité du faisceau du laser Tm:YLF reste presque constante sur toute la plage d'accord, ce qui était favorable au pompage du laser Ho:YAG. Les caractéristiques de sortie du laser Ho:YAG à différentes longueurs d'onde de pompage sont mesurées.

La configuration expérimentale du laser Ho: YAG pompé par Tm: YLF est illustrée à la Fig. 1.

Montage expérimental du laser Ho:YAG pompé par le laser Tm:YLF.

Une structure de pompe à double extrémité a été utilisée pour le laser Tm:YLF. Les sources de pompage étaient deux diodes laser couplées à des fibres (LD) d'une puissance de 80 W et d'une longueur d'onde centrale de 793 nm. Les faisceaux de pompe ont été focalisés sur le cristal Tm: YLF d'un diamètre de 0,75 mm à l'aide de dispositifs de mise en forme de faisceau. Les M1 ont été recouverts d'une haute transmissivité à 793 nm et d'une haute réflexion à 1,9 μm. M2 était un miroir plan-concave avec une transmittance de 20% à 1,9 μm et son rayon de courbure était de 150 mm. La taille transversale et l'épaisseur du VBG étaient de 4 × 3 mm2 et 5 mm, respectivement. L'efficacité de diffraction était supérieure à 99,0 % à 1905,5 nm à température ambiante. La structure était montée sur un dissipateur thermique en cuivre qui pouvait être contrôlé de la température ambiante à 210 °C. L'ensemble de la cavité était constitué d'un miroir plan-concave M2, d'un miroir dichroïque à 45° M1 et d'un VBG. La longueur de cavité du laser Tm:YLF était de 85 mm dans cette expérience. Le cristal Tm:YLF a été coupé en a avec une taille de 1,5 × 4 × 30 mm3 et une concentration de dopage de 2,0 at.%. Les deux extrémités du cristal Tm:YLF ont été recouvertes de revêtements antireflet de 793 nm et 1,9 μm, respectivement. De plus, le cristal a été enveloppé à l'aide d'une feuille d'indium et fixé dans un support en cuivre, qui a été refroidi à l'eau à 20 ° C.

Une structure à pompe unique a été utilisée pour le laser Ho:YAG. Les lasers de pompe ont été focalisés dans le cristal Ho:YAG avec un diamètre de faisceau d'environ 0,95 mm par la lentille f3. M3 était un miroir dichroïque à 45° avec une transmission élevée à 1,9 μm et une réflexion élevée à 2,1 μm. M4 a été revêtu d'une haute transmissivité à 1,9 μm et d'une haute réflexion à 2,1 μm. M5 était un miroir plan-concave avec une transmittance de 20% à 2,1 μm et le rayon de courbure était de 300 mm. De plus, toute la cavité était constituée d'un miroir plan-concave M5, d'un miroir dichroïque à 45° M3 et d'un miroir plan M4. La longueur de la cavité du laser Ho:YAG était de 115 mm. Le cristal Ho:YAG avait un diamètre de 4 mm, une longueur de 50 mm et une concentration de dopage de 0,8 at.%. Les deux surfaces d'extrémité du cristal ont été traitées anti-reflet (R ≤ 0,3 %) à 1,9 et 2,1 μm. Enfin, le cristal a été enveloppé dans un support en cuivre rempli d'eau courante et la température a été contrôlée à 20 ° C.

Les longueurs d'onde du laser Tm: YLF ont été mesurées dans l'expérience par un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (Nicolet iS50 FTIR), comme illustré à la Fig. 2. La longueur d'onde du laser Tm: YLF variait avec la température de fonctionnement du VBG. La longueur d'onde est passée de 1906,04 à 1908,83 nm et la température de fonctionnement VBG correspondante est passée de 70 à 210 ° C à la puissance de sortie de 39,8 W. La plage d'accord de longueur d'onde était de 2,79 nm.

Longueurs d'onde à différentes températures VBG.

Les puissances de sortie du laser Tm: YLF ont été mesurées à différentes températures VBG. La température de fonctionnement initiale du VBG a été fixée à 70 ° C et l'expérience de puissance de sortie élevée n'a pas été réalisée à 110 ° C pour éviter d'endommager le cristal en raison de la longueur d'onde d'absorption de l'eau dans la bande du proche infrarouge. Les puissances de sortie du laser Tm:YLF à différentes températures VBG et à une puissance de pompe de 105,5 W ont été illustrées à la Fig. 2. Les puissances de sortie minimale et maximale dans toute la plage de réglage étaient de 39,8 et 42,9 W, et les longueurs d'onde de sortie correspondantes étaient 1906,04 et 1907,96 nm, respectivement.

Les largeurs de raie du laser Tm: YLF à différentes températures VBG sont illustrées à la Fig. 3.

Spectres du laser Tm:YLF.

Les courbes de couleur représentent les spectres de sortie laser Tm:YLF à différentes températures VBG de 70 ° C, 90 ° C, 130 ° C, 150 ° C, 170 ° C, 190 ° C et 210 ° C; où les longueurs d'onde centrales étaient respectivement de 1906,04, 1906,48, 1907,36, 1907,55, 1907,96, 1908,40 et 1908,83 nm. Les largeurs de raie correspondantes étaient de 0,39, 0,38, 0,35, 0,41, 0,34, 0,34 et 0,35 nm. Le laser Tm:YLF présentait une largeur de raie étroite et une stabilité élevée, et les largeurs de raie étaient comprises entre 0,34 et 0,41 nm dans toute la plage de réglage.

La technologie de lame de couteau 10/90 a été utilisée pour mesurer le rayon du faisceau du laser Tm:YLF, et le facteur de qualité du faisceau a été calculé à l'aide d'un ajustement gaussien. Les facteurs de qualité du faisceau dans les directions horizontale et verticale à différentes longueurs d'onde de sortie étaient d'environ 3,3 et 3,1, respectivement, comme le montre la Fig. 4.

Facteur de qualité du faisceau du laser Tm:YLF.

La qualité du faisceau est restée presque constante sur toute la plage de réglage, ce qui était favorable au pompage du laser Ho:YAG. Par conséquent, une source à largeur de raie étroite de 1,91 μm a été obtenue avec une qualité de faisceau stable, une plage d'accord de 1906,04 à 1908,83 nm et une puissance de sortie de 39,8 W.

Le spectre d'absorption mesuré du cristal Ho:YAG dans la plage 1902–1912 nm à température ambiante (20 ° C) est représenté par la ligne noire sur la Fig. 5. Les carrés rouges représentent les puissances de sortie maximales du laser Ho:YAG correspondant à différentes longueurs d'onde de pompe sous la puissance de pompe de 39,8 W. Les puissances de sortie s'alignaient beaucoup mieux avec le spectre d'absorption Ho:YAG dans la plage de réglage de 1906,04–1908,83 nm. Les résultats ont démontré que la transmission à différentes longueurs d'onde de pompage avait un effet sur la puissance de sortie du laser Ho:YAG.

Spectre d'absorption de 0,8 at.% dopé Ho:YAG à 20 °C et puissance de sortie.

Les caractéristiques de sortie du laser Ho:YAG par rapport à la longueur d'onde de pompe accordable sont présentées dans le tableau 1. En comparant la puissance de sortie du laser Ho:YAG à différentes longueurs d'onde de pompe, il a été constaté que la puissance de sortie était de 21,04 à 23,53 W et l'efficacité de pente correspondante était de 64,08 à 68,26 %. De plus, le rendement de conversion était compris entre 52,86 et 59,12 % sur toute la plage d'accord. De plus, le laser avait une efficacité de conversion élevée à différentes longueurs d'onde de pompe, et la puissance plus élevée du laser Ho:YAG pouvait être obtenue en ajustant avec précision la longueur d'onde de pompe.

La puissance de sortie du laser Ho:YAG par rapport à la puissance de pompe réglable a été illustrée à la Fig. 6. La puissance de pompe était de 39,8 W à différentes longueurs d'onde de 1906,04, 1907,36 et 1908,83 nm ; ici, les puissances de sortie maximales du laser Ho:YAG étaient respectivement de 22,55, 23,53 et 21,04 W. Les efficacités de pente correspondantes η étaient de 66,70 %, 68,26 % et 64,08 %, et les efficacités de conversion correspondantes étaient de 56,66 %, 59,12 % et 52,86 %. Il n'y a pas de phénomène de saturation d'absorption aux différentes longueurs d'onde de pompe.

Les puissances de sortie du laser Ho:YAG.

Le spectre du laser Ho:YAG a été mesuré à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (Nicolet iS50 FTIR). La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) était de 0,65 nm et le pic de longueur d'onde à 2097,38 nm, comme le montre la Fig. 7.

Spectre du laser Ho:YAG.

Le rayon du faisceau a été mesuré à une puissance de sortie de 23,53 W à l'aide de la technologie de lame de couteau 90/10. Le facteur de qualité du faisceau M2 a été calculé avec un ajustement gaussien, comme illustré à la Fig. 8. Les facteurs de qualité du faisceau dans les directions horizontale et verticale étaient de 2,4 et 2,8, respectivement. L'encart de la Fig. 8 montre le profil du faisceau transversal enregistré par une caméra pyroélectrique (Pyrocam III, Spiricon).

Mesure du facteur de qualité du faisceau du laser Ho:YAG.

Cette étude a démontré un laser Ho: YAG pompé par un laser accordable à largeur de raie étroite de 1,91 μm. Le laser de pompe était un laser Tm: YLF avec une puissance de sortie de 39,8 W et une plage accordable de 1906,04 à 1908,83 nm, correspondant à une largeur de raie inférieure à 0,41 nm. La qualité du faisceau du laser Tm:YLF est restée presque constante sur toute la plage d'accord. La puissance de sortie du laser Ho:YAG était de 21,04 à 23,53 W et l'efficacité de pente correspondante était de 64,08 à 68,26 %. De plus, le rendement de conversion était compris entre 52,86 et 59,12 % sur toute la plage d'accord. Le laser Ho:YAG fonctionnait de manière stable à 2097,38 nm avec une largeur de raie de 0,65 nm à différentes longueurs d'onde de pompage. Cette étude montre que la longueur d'onde de pompe a un effet sur les performances de sortie du laser Ho:YAG dans la plage de 1906,04 à 1908,83 nm. À la longueur d'onde de pompe de 1097,36 nm, la puissance de sortie et l'efficacité de la pente du laser Ho:YAG atteignent le maximum de 68,26 % et 23,53 W, respectivement.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Le travail a été soutenu par Scientific Instrument Developing Project of the Chinese Academy of Sciences (YJKYYQ20210045), State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology (SKL2021KF04), National Natural Science Foundation of China (61875198, 61775212).

Zhiyong Li

Adresse actuelle : Laser Engineering Center, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Pékin, 100094, Chine

Laser Engineering Center, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Pékin, 100094, Chine

Juntao Tian, Lili Zhao, Hai Wang et Rongqing Tan

École d'ingénierie électronique, électrique et des communications, Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

Juntao Tian, Lili Zhao, Zhiyong Li, Hai Wang et Rongqing Tan

State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, College of Electronic Countermeasures, National University of Defense Technology, Hefei, 230037, Chine

Jintian Bian et Qing Ye

Laboratoire Anhui de technologie laser avancée, Collège des contre-mesures électroniques, Université nationale de technologie de la défense, Hefei, 230037, Chine

Jintian Bian et Qing Ye

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JTT a réalisé l'expérience, effectué les analyses de données, rédigé le manuscrit ; LLZ et ZYL ont contribué à la conception de l'étude ; JTB et QY ont effectué les analyses de données et préparé les chiffres ; HW a construit le système laser accordable et effectué la mesure par spectroscopie ; RQT a aidé à effectuer l'analyse avec des discussions constructives. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Juntao Tian ou Zhiyong Li.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Tian, J., Zhao, L., Li, Z. et al. Laser Ho:YAG à 2097 nm pompé par un laser accordable à largeur de raie étroite de 1,91 μm. Sci Rep 13, 999 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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Reçu : 01 octobre 2022

Accepté : 10 janvier 2023

Publié: 18 janvier 2023

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

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