Láser Ho:YAG a 2097 nm bombeado por un láser sintonizable de ancho de línea estrecho de 1,91 μm

Nov 15, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 999 (2023) Citar este artículo

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Este estudio presenta un láser Ho:YAG de alta eficiencia basado en un láser sintonizable de 1,91 μm de ancho de línea estrecho. Un láser Tm:YLF sintonizable es la fuente de bombeo y la sintonizabilidad continua de la longitud de onda varía de 1906,04 a 1908,83 nm, lo que corresponde a un ancho de línea de menos de 0,41 nm. El láser sintonizable Tm:YLF se logra cambiando la temperatura de funcionamiento del VBG. La potencia de salida del láser Ho:YAG está entre 21,04 y 23,53 W y la eficiencia de pendiente está entre 64,08 y 68,26 % a la potencia de bombeo de 39,8 W. La potencia de salida y la eficiencia de pendiente correspondientes a la longitud de onda de bombeo de 1907,36 nm son 23,53 W y 68,26%, respectivamente. Este estudio ilustra que el ajuste fino de la longitud de onda de la bomba es una forma efectiva de mejorar la eficiencia de la pendiente y la potencia de salida del láser Ho:YAG a temperatura ambiente.

Un láser de 2,1 μm está ubicado en la ventana atmosférica y se usa ampliamente en aplicaciones tales como láser médico1, procesamiento de materiales2, sistemas de medición y detección de lidar de comunicación óptica3 y osciladores paramétricos ópticos4,5. En la actualidad, el método principal para obtener láseres con longitudes de onda de 2,1 μm es bombear un cristal dopado con Ho con un láser de 1,9 μm que coincida con el pico de longitud de onda de absorción del cristal dopado con Ho. Un láser de estado sólido bombeado por un láser de 1,9 µm puede lograr un láser de 2,1 µm con alta potencia, alta calidad de haz y ancho de línea estrecho a temperatura ambiente. Hasta ahora, los láseres de fibra dopados con Tm y de estado sólido dopados con Tm se usaban como fuentes de bombeo en un láser Ho:YAG de alta potencia debido a la mejor calidad del haz y la mayor potencia. Shen et al. reportaron un láser Ho:YAG bombeado con un láser Tm:YLF a 1907.8 nm, y la potencia de salida fue de 103 W con una eficiencia de pendiente de 67.8%6. Bombear el láser Ho:YAG con un láser de fibra dopado con Tm es un enfoque más compacto debido a cualidades como una gestión térmica más simple, una mayor eficiencia de conversión y un volumen más pequeño. Antipov et al.7 informaron una potencia de salida de 36 W para el láser Ho:YAG bombeado a 1907 nm por láser de fibra dopado con Tm.

El uso de una fuente de bomba de ancho de línea estrecho es una forma efectiva de aumentar la eficiencia del láser objetivo8,9. La longitud de onda central y el ancho de línea de un láser de bombeo tienen una gran influencia en el láser Ho:YAG debido al estrecho pico de longitud de onda de absorción del cristal Ho:YAG a 1,9 μm. Por lo tanto, algunas investigaciones sobre el láser Ho:YAG se han concentrado en fuentes de bombeo de ancho de línea estrecho. Actualmente, los láseres que utilizan rejillas de volumen de Bragg (VBG) tienen la capacidad de seleccionar longitudes de onda y anchos de línea estrechos. Chen et al. informó un láser Tm:YLF con un VBG, y la potencia de salida fue de 15,5 W a 1908,1 nm, correspondiente al ancho de línea de 0,15 nm10. Wei et al. informó un láser Tm:YLF de ancho de línea estrecho con un VBG, y la potencia de salida fue de 202 W a 1908,5 nm, lo que corresponde al ancho de línea de 0,57 nm11. En la actualidad, hay pocos informes sobre láseres sintonizables Tm:YLF. Sheintop et al. informó un láser Tm:YLF sintonizable, correspondiente a un rango sintonizable de 1926–1961 nm12. Aquí, la sección transversal de absorción del cristal de Ho:YAG a 1,91 μm fue mayor que a 1,93 μm, lo que ayudó en la absorción de la luz de la bomba y logró una mayor potencia de salida13. Por lo tanto, un láser Ho:YAG bombeado por un láser sintonizable de 1,91 μm es un método atractivo para obtener una mayor eficiencia de pendiente y potencia de salida.

Este estudio propone un láser Ho:YAG bombeado por un láser sintonizable de 1,91 μm de ancho de línea estrecho. La fuente de la bomba era un láser Tm:YLF con un rango sintonizable de 1906,04 a 1908,83 nm, lo que corresponde a un ancho de línea de menos de 0,41 nm. La calidad del haz del láser Tm:YLF permanece casi constante en todo el rango de sintonización, lo que fue favorable para bombear el láser Ho:YAG. Se miden las características de salida del láser Ho:YAG a diferentes longitudes de onda de bombeo.

La configuración experimental del láser Ho:YAG bombeado por Tm:YLF se muestra en la Fig. 1.

Configuración experimental del láser Ho:YAG bombeado por el láser Tm:YLF.

Se utilizó una estructura de bomba de dos extremos para el láser Tm:YLF. Las fuentes de bombeo fueron dos diodos láser (LD) acoplados a fibra con una potencia de 80 W y una longitud de onda central de 793 nm. Los haces de bombeo se enfocaron en el cristal Tm:YLF con un diámetro de 0,75 mm utilizando dispositivos de conformación de haces. Los M1 se recubrieron con alta transmitividad a 793 nm y alta reflexión a 1,9 μm. M2 era un espejo plano-cóncavo con una transmitancia del 20% a 1,9 μm y su radio de curvatura era de 150 mm. El tamaño transversal y el grosor de la VBG fueron 4 × 3 mm2 y 5 mm, respectivamente. La eficiencia de difracción fue superior al 99,0 % a 1905,5 nm a temperatura ambiente. La estructura estaba montada sobre un disipador de calor de cobre que podía controlarse desde temperatura ambiente hasta 210 °C. Toda la cavidad constaba de un espejo plano-cóncavo M2, un espejo dicroico de 45° M1 y VBG. La longitud de la cavidad del láser Tm:YLF fue de 85 mm en este experimento. El cristal Tm:YLF se cortó en A con un tamaño de 1,5 × 4 × 30 mm3 y una concentración de dopaje de 2,0% at. Ambos extremos del cristal Tm:YLF se recubrieron con recubrimientos antirreflectantes de 793 nm y 1,9 μm, respectivamente. Además, el cristal se envolvió con una lámina de indio y se fijó en un soporte de cobre, que se enfrió con agua a 20 °C.

Se utilizó una estructura de bomba de un solo extremo para el láser Ho:YAG. Los láseres de bombeo se enfocaron en el cristal Ho:YAG con un diámetro de haz de aproximadamente 0,95 mm por lente f3. M3 era un espejo dicroico de 45° con alta transmitividad a 1,9 μm y alta reflexión a 2,1 μm. M4 se recubrió con alta transmitividad a 1,9 μm y alta reflexión a 2,1 μm. M5 era un espejo plano-cóncavo con una transmitancia del 20% a 2,1 μm y el radio de curvatura era de 300 mm. Además, toda la cavidad constaba de un espejo plano-cóncavo M5, un espejo dicroico de 45° M3 y un espejo plano M4. La longitud de la cavidad del láser Ho:YAG fue de 115 mm. El cristal de Ho:YAG tenía un diámetro de 4 mm, una longitud de 50 mm y una concentración de dopaje de 0,8% at. Las dos superficies de los extremos del cristal tenían un revestimiento antirreflectante (R ≤ 0,3 %) a 1,9 y 2,1 μm. Por último, el cristal se envolvió en un soporte de cobre lleno de agua corriente y la temperatura se controló a 20 °C.

Las longitudes de onda del láser Tm:YLF se midieron en el experimento con un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier (Nicolet iS50 FTIR), como se muestra en la Fig. 2. La longitud de onda del láser Tm:YLF varió con la temperatura de funcionamiento del VBG. La longitud de onda aumentó de 1906,04 a 1908,83 nm y la temperatura de funcionamiento VBG correspondiente aumentó de 70 a 210 °C con una potencia de salida de 39,8 W. El rango de sintonización de la longitud de onda fue de 2,79 nm.

Longitudes de onda a diferentes temperaturas VBG.

Las potencias de salida del láser Tm:YLF se midieron a diferentes temperaturas VBG. La temperatura de funcionamiento inicial del VBG se fijó en 70 °C y el experimento de alta potencia de salida no se llevó a cabo a 110 °C para evitar daños en los cristales debido a la longitud de onda de absorción de agua en la banda del infrarrojo cercano. Las potencias de salida del láser Tm:YLF a diferentes temperaturas VBG y con una potencia de bombeo de 105,5 W se muestran en la Fig. 2. Las potencias de salida mínima y máxima en todo el rango de sintonización fueron 39,8 y 42,9 W, y las longitudes de onda de salida correspondientes fueron 1906,04 y 1907,96 nm, respectivamente.

Los anchos de línea del láser Tm:YLF a diferentes temperaturas VBG se muestran en la Fig. 3.

Espectros del láser Tm:YLF.

Las curvas de color representan los espectros de salida del láser Tm:YLF a diferentes temperaturas VBG de 70 °C, 90 °C, 130 °C, 150 °C, 170 °C, 190 °C y 210 °C; donde las longitudes de onda centrales fueron 1906,04, 1906,48, 1907,36, 1907,55, 1907,96, 1908,40 y 1908,83 nm, respectivamente. Los anchos de línea correspondientes fueron 0,39, 0,38, 0,35, 0,41, 0,34, 0,34 y 0,35 nm. El láser Tm:YLF exhibió un ancho de línea estrecho y alta estabilidad, y los anchos de línea estaban entre 0,34 y 0,41 nm en todo el rango de sintonización.

Se utilizó la tecnología de filo de cuchillo 10/90 para medir el radio del haz del láser Tm:YLF, y el factor de calidad del haz se calculó mediante el ajuste gaussiano. Los factores de calidad del haz en las direcciones horizontal y vertical en diferentes longitudes de onda de salida fueron de aproximadamente 3,3 y 3,1, respectivamente, como se muestra en la Fig. 4.

Factor de calidad del haz del láser Tm:YLF.

La calidad del haz se mantuvo casi constante en todo el rango de sintonización, lo que fue favorable para bombear el láser Ho:YAG. Por lo tanto, se obtuvo una fuente de 1,91 μm de ancho de línea estrecho con una calidad de haz estable, un rango de sintonización de 1906,04–1908,83 nm y una potencia de salida de 39,8 W.

El espectro de absorción medido del cristal Ho:YAG en el rango de 1902–1912 nm a temperatura ambiente (20 °C) está representado por la línea negra en la Fig. 5. Los cuadrados rojos representan las potencias máximas de salida del láser Ho:YAG. correspondientes a diferentes longitudes de onda de la bomba bajo la potencia de la bomba de 39,8 W. Las potencias de salida se alinearon mucho mejor con el espectro de absorción de Ho:YAG en el rango de sintonización de 1906,04–1908,83 nm. Los resultados demostraron que la transmitancia a diferentes longitudes de onda de la bomba tuvo un efecto sobre la potencia de salida del láser Ho:YAG.

Espectro de absorción de 0,8 at.% dopado Ho:YAG a 20 °C y potencia de salida.

Las características de salida del láser Ho:YAG frente a la longitud de onda de la bomba sintonizable se muestran en la Tabla 1. Al comparar la potencia de salida del láser Ho:YAG en diferentes longitudes de onda de la bomba, se encontró que la potencia de salida era de 21,04 a 23,53 W y la la eficiencia de la pendiente correspondiente fue del 64,08 al 68,26 %. Además, la eficiencia de conversión estuvo entre 52,86 y 59,12% en todo el rango de sintonización. Además, el láser tenía una alta eficiencia de conversión a diferentes longitudes de onda de la bomba, y la mayor potencia del láser Ho:YAG podía obtenerse mediante el ajuste fino de la longitud de onda de la bomba.

La potencia de salida del láser Ho:YAG frente a la potencia de la bomba sintonizable se muestra en la Fig. 6. La potencia de la bomba fue de 39,8 W a diferentes longitudes de onda de 1906,04, 1907,36 y 1908,83 nm; aquí, las potencias máximas de salida del láser Ho:YAG fueron 22,55, 23,53 y 21,04 W, respectivamente. Las eficiencias de pendiente correspondientes η fueron 66,70 %, 68,26 % y 64,08 %, y las eficiencias de conversión correspondientes fueron 56,66 %, 59,12 % y 52,86 %. No hay fenómeno de saturación de absorción a diferentes longitudes de onda de la bomba.

Las potencias de salida del láser Ho:YAG.

El espectro del láser Ho:YAG se midió utilizando un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier (Nicolet iS50 FTIR). El ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) fue de 0,65 nm y el pico de longitud de onda fue de 2097,38 nm, como se muestra en la Fig. 7.

Espectro del láser Ho:YAG.

El radio del haz se midió con una potencia de salida de 23,53 W utilizando tecnología de filo de cuchillo 90/10. El factor de calidad del haz M2 se calculó con ajuste gaussiano, como se muestra en la Fig. 8. Los factores de calidad del haz en las direcciones horizontal y vertical fueron 2,4 y 2,8, respectivamente. El recuadro de la Fig. 8 muestra el perfil del haz transversal registrado por una cámara piroeléctrica (Pyrocam III, Spiricon).

Medición del factor de calidad del haz del láser Ho:YAG.

Este estudio demostró un láser Ho:YAG bombeado por un láser sintonizable de 1,91 μm de ancho de línea estrecho. El láser de bomba era un láser Tm:YLF con una potencia de salida de 39,8 W y un rango sintonizable de 1906,04 a 1908,83 nm, lo que corresponde a un ancho de línea de menos de 0,41 nm. La calidad del haz del láser Tm:YLF se mantuvo casi constante en todo el rango de sintonización. La potencia de salida del láser Ho:YAG fue de 21,04 a 23,53 W y la eficiencia de pendiente correspondiente fue de 64,08 a 68,26 %. Además, la eficiencia de conversión estuvo entre 52,86 y 59,12% en todo el rango de sintonización. El láser Ho:YAG funcionó de manera estable a 2097,38 nm con un ancho de línea de 0,65 nm a diferentes longitudes de onda de bombeo. Este estudio ilustra que la longitud de onda de la bomba tiene un efecto en el rendimiento de salida del láser Ho:YAG en el rango de 1906,04 a 1908,83 nm. A la longitud de onda de bombeo de 1097,36 nm, la potencia de salida y la eficiencia de pendiente del láser Ho:YAG alcanzan un máximo de 68,26 % y 23,53 W, respectivamente.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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El trabajo fue apoyado por el Proyecto de Desarrollo de Instrumentos Científicos de la Academia de Ciencias de China (YJKYYQ20210045), el Laboratorio Estatal Clave de Tecnología de Láser de Potencia Pulsada (SKL2021KF04), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61875198, 61775212).

Zhiyong-li

Dirección actual: Centro de Ingeniería Láser, Instituto de Investigación de Información Aeroespacial, Academia China de Ciencias, Beijing, 100094, China

Centro de Ingeniería Láser, Instituto de Investigación de Información Aeroespacial, Academia China de Ciencias, Beijing, 100094, China

Juntao Tian, ​​Lili Zhao, Hai Wang y Rongqing Tan

Escuela de Ingeniería Electrónica, Eléctrica y de Comunicaciones, Universidad de la Academia China de Ciencias, Beijing, 100049, China

Juntao Tian, ​​Lili Zhao, Zhiyong Li, Hai Wang y Rongqing Tan

State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Facultad de Contramedidas Electrónicas, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, Hefei, 230037, China

Jintian Bian y Qing Ye

Laboratorio de Tecnología Láser Avanzada de Anhui, Facultad de Contramedidas Electrónicas, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, Hefei, 230037, China

Jintian Bian y Qing Ye

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JTT realizó el experimento, realizó los análisis de datos, escribió el manuscrito; LLZ y ZYL contribuyeron a la concepción del estudio; JTB y QY realizaron los análisis de datos y prepararon las cifras; HW construyó el sistema de láser sintonizable y realizó la medición espectroscópica; RQT ayudó a realizar el análisis con discusiones constructivas. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Juntao Tian o Zhiyong Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Tian, ​​J., Zhao, L., Li, Z. et al. Láser Ho:YAG a 2097 nm bombeado por un láser sintonizable de 1,91 μm de ancho de línea estrecho. Informe científico 13, 999 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27970-0

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Recibido: 01 Octubre 2022

Aceptado: 10 de enero de 2023

Publicado: 18 enero 2023

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

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