Мощные двухмикронные лазеры с диодной накачкой на основе кристаллов и композитных структур двойных калий-редкоземельных вольфраматов, активированных тулием и гольмием

Исследованы активные элементы дисковых лазеров на основе эпитаксиальных структур Ho:KYW/KYW, а также нелинейные кристаллы ZGP для параметрического преобразования в средний ИК-диапазон. Цель работы в 2018 г. - комплексное исследование эффективности генерации в режиме пассивной модуляции добротности полупроводниковыми насыщающимися поглотителями GaSb, а также расширение спектрального диапазона генерации в область среднего ИК. В частности, в простой оптической схеме двухпроходной накачки получена дифференциальная эффективность генерации 44% на длине волны 2056 нм при длительности импульсов 200 нс, энергии импульса 4,1 мкДж и частоте повторения 135 кГц, что соответствует средней мощности генерации более 0,5 Вт. Отмечено, что потери мощности в режиме пассивной модуляции добротности не превышают 7% по сравнению с режимом непрерывной генерации, т.е. эффективность конверсии составляет 93%, что находится на уровне лучших мировых достижений. В рамках этих исследований показана принципиальная возможность многократного увеличения выходной мощности генерации, на уровне 10 Вт и выше, при одновременном уменьшении длительности световых импульсов менее 100 нс, что открывает новые возможности расширения спектрального диапазона, в том числе за счет использования параметрических преобразователей. В порядке экспериментального исследования возможностей параметрических преобразователей для увеличения спектральной области перестройки в средний ИК-диапазон исследован линейный параметрический генератор света (ПГС) на кристалле дифосфида цинка-германия, ZGeP2. Мощность генерации ПГС в диапазоне длин волн 3,5 - 4,8 мкм составила свыше 1,5 Вт при дифференциальной эффективности около 30%, что находится на уровне среднемировых результатов. Накачка ПГС была проведена импульсно-периодическим лазером Ho:YAG c частотой следования импульсов 10 кГц и энергией в импульсе 0,5 мДж. В настоящий момент изучается возможность прямой накачки ПГС излучением тулиевых лазеров в спектральном диапазоне 1,91 - 1,94 мкм, что позволит существенно поднять эффективность всей системы. С этой целью проводятся разработки импульсно-периодического тулиевого лазера с активным элементом в форме слэба, обеспечивающего режим импульсно-периодической генерации с частотой повторения импульсов до 10 кГц и энергией в импульсе до 1,5 мДж. Разработка такого излучателя и детальное исследование его характеристик, включая накачку различных ПГС-структур (ZGeP2, ppKTP и др.) составит основное направление работ на следующем этапе проекта. В 2018 г. получена высокоэффективная генерация эпитаксиальных гольмиевых структур как в непрерывном режиме, так и в режиме пассивной модуляции добротности, показана принципиальная возможность существенного увеличения выходной мощности генерации, создан научно-технический задел по изготовлению крупногабаритных композитных структур, определены перспективные геометрии активных элементов, существенно расширена спектральная область перестройки в средний ИК-диапазон за счет использования параметрических преобразователей с накачкой 2-мкм лазерами. Комплексные экспериментальные и теоретические исследования кристаллов и композитных структур Ho:KYW/KYW, Tm:KLuW/KLuW и др. позволили в полной мере реализовать их основные преимущества, включая новые функциональные возможности, а также выполнить научно-техническое обоснование путей и способов существенного увеличения выходной мощности генерации до уровня 50...100 Вт в ближайшей перспективе.