Разработан мощный наносекундный перестраиваемый лазер в среднем ИК диапазоне для создания мощных фемтосекундных лазерных систем и исследования резонансного лазерного воздействия на воду
Сотрудники лаборатории нелинейной оптики и сверхсильных световых полей кафедры общей физики и волновых процессов МГУ имени М.В. Ломоносова разработали новый мощный наносекундный перестраиваемый лазер в среднем инфракрасном диапазоне на длинах волн вблизи 3 мкм.
Такой лазер был разработан для накачки первой мощной фемтосекундной лазерной системы на основе кристалла Fe:ZnSe, работающей на длинах волн 4-5 мкм, созданной в лаборатории. Пик поглощения этой лазерной среды находится вблизи 3 мкм, а её сравнительно малое время жизни требует коротких лазерных импульсов накачки. Разработанный 3-мкм лазер накачки на основе кристалла Er:YLF с диодной накачкой генерирует импульсы с энергией на уровне 80 мДж, и может использоваться для накачки лазерных систем на частоте следования импульсов до 100 Гц.
Ключевым фактором разработки является выбор активной среды, модулятора добротности, и диодная накачка. В качестве активного элемента был выбран кристалл Er:YLF благодаря его уникальным свойствам. Время жизни верхнего лазерного уровня ионов эрбия во фторидной матрице значительно больше, чем в других эрбиевых кристаллах, что позволяет запасти больше энергии для её преобразования в энергию наносекундного импульса. Также YLF — это анизотропная матрица, благодаря чему внутри резонатора поддерживается высокий контраст поляризации излучения. Отрицательный температурный коэффициент показателя преломления предотвращает формирование тепловой линзы, сводя риск пробоя оптических элементов к минимуму. Кристалл Er:YLF выращен соавторами публикации, сотрудниками Казанского (Приволжского) федерального университета.
Двумя другими ключевыми элементами являются модулятор добротности на основе кристалла КТР и мощная диодная накачка. Специально разработанный модулятор добротности на основе двух кристаллов КТР был адаптирован для работы в среднем ИК диапазоне. Высокое оптическое качество, малые потери и высокая лучевая прочность обеспечивают быстрое переключение добротности и возможность получения высокой выходной энергии лазерных импульсов. Специально спроектированный квантрон на основе импульсных диодных решёток обеспечивает накачку с энергией в импульсе до 3 Дж, что также вносит вклад в высокие выходные характеристики лазера. Все элементы лазера: диодный квантрон, активный элемент и модулятор добротности, — разработаны отечественными предприятиями, что позволяет считать созданный лазер исполненным полностью на отечественной элементной базе.
Кроме того, такие 3-мкм наносекундные лазерные источники являются перспективными инструментами в задачах лазерного микроструктурирования и лазерной биопечати. Вода обладает экстремально высоким коэффициентом поглощения (~104 см-1) на длинах волн около 3 мкм. Это означает, что всё излучение поглощается в слое толщиной около 1 мкм, что позволяет реализовать экстремальный энерговклад в воду, запуская в ней интенсивные микромеханические процессы (кавитацию и ударные волны), а также химические реакции, которые не идут при нормальных условиях. Так, например, такие лазеры могут использоваться для лазерно-индуцированного жидкостного травления прозрачных в среднем инфракрасном диапазоне материалов, таких как сапфир, алмаз, кремний, а также для прямого лазерного переноса в задачах лазерной биопечати. Перестройка длины волны в диапазоне 2,67 мкм – 2,85 мкм даёт возможность управлять глубиной поглощения излучения в воде и тем самым режимом воздействия.
Результаты работы, поддержанной грантами Российского научного фонда (РНФ) и Российского Фонда Фундаментальных исследований (РФФИ), опубликованы в журнале Optics Letters.
Использованы материалы статьи Diode-side-pumped watt-level high-energy Q-switched mid-IR Er:YLF laser A. V. Pushkin, I. A. Slovinsky, A. A. Shakirov, A. A. Shavelev, and F. V. Potemkin; журнал Optics Letters, ноябрь 2021 г.