Holmiové mikročipové lasery

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá oxidovými krystalickými materiály Ho:YAG a Ho:YAP, a to jejich spektroskopickými vlastnostmi v teplotním rozsahu 4 300 K a charakteristikami mikročipových laserů na bázi těchto krystalů v rozsahu teplot 78300 K. Rešeršní část je nejprve zaměřena na mikročipové lasery z obecného hlediska, a dále na rezonančně čerpané mikročipové lasery na bázi holmiem dopovaných materiálů generujících ve spektrální oblasti kolem 2,1 µm. Experimentální část se nejprve soustřeďuje na absorpční a fluorescenční spektroskopii (přechod 5I7 5I8) krystalů Ho:YAG a Ho:YAP. V teplotním rozsahu 4 300 K byla naměřena absorpční a fluorescenční spektra těchto krystalů spolu s dobou doznívání fluorescence. Z naměřených dat byly pomocí McCumberovy a Füchtbauer-Ladenburgovy teorie stanoveny emisní účinné průřezy a pomocí ziskových charakteristik byly předpovězeny možné emisní vlnové délky. Na spektroskopická měření navazovalo sestavení Ho:YAG a Ho:YAP mikročipových laserů rezonančně čerpaných thuliovým vláknovým laserem na vlnové délce 1939,2 nm. V rámci experimentu byly v teplotním rozsahu 78 300 K změřeny výkonové a spektrální charakteristiky spolu s prostorovou strukturou generovaného svazku. Vzhledem k teplotně závislé absorpci čerpacího záření byly nalezeny optimální teploty provozu laserového systému. V případě krystalu Ho:YAG bylo při teplotě krystalu 130 K generováno kontinuální laserové záření s výkonem až 4,57W, vlnovou délkou 2090,4 nm a diferenciální účinností blížící se kvantovému limitu. Nejvyššího výstupního výkonu 4,09W bylo s Ho:YAP mikročipovým laserem orientovaným podél osy b dosaženo při teplotě krystalu 200 K. Záření mělo vlnovou délku 2116 nm a bylo emitováno s diferenciální účinností 85,9 % vzhledem k absorbovanému výkonu. S těmito systémy bylo možno docílit generace i na jiných vlnových délkách či na více vlnových délkách současně. S výjimkou jednoho mechanicky poškozeného vzorku (Ho:YAP orientovaný podél osy a) bylo ve všech případech generováno záření s kruhovým prostorovým profilem blížící se základnímu příčnému módu.

This diploma thesis deals with the oxide crystalline materials Ho:YAG and Ho:YAP, namely their spectroscopic properties in the temperature range 4 300 K and the characteristics of microchip lasers based on these crystals in the temperature range 78 300 K. The review part is first focused on microchip lasers from a general point of view, and then on resonantly pumped microchip lasers based on holmium-doped materials generating in the spectral region around 2.1 µm. The experimental part is first focused on absorption and fluorescence spectroscopy (transition 5I7 5I8) of Ho:YAG and Ho:YAP crystals. In the temperature range 4 300 K, the absorption and fluorescence spectra of these crystals were measured together with the fluorescence decay time. From the measured data, the emission cross sections were determined using the McCumber and Füchtbauer-Ladenburg theories, and possible emission wavelengths were predicted using the gain characteristics. The spectroscopic measurements were followed by the assembly of Ho:YAG and Ho:YAP microchip lasers resonantly pumped by a thulium fiber laser at a wavelength of 1939.2 nm. In the experiment, the power and spectral characteristics along with the spatial structure of the generated beam were measured in the temperature range 78300 K. Due to the temperature-dependent absorption of the pumping radiation, the optimal operating temperatures of the laser system were found. In the case of the Ho:YAG crystal, continuous-wave laser radiation with a power of up to 4.57W, a wavelength of 2090.4 nm and a slope efficiency approaching the quantum limit was generated at a crystal temperature of 130 K. The highest output power of 4.09W was achieved with a Ho:YAP microchip laser oriented along the b axis at a crystal temperature of 200 K. The radiation had a wavelength of 2116 nm and was emitted with a slope efficiency of 85.9 % with respect to the absorbed power. With these systems, it was possible to achieve generation at other wavelengths or at multiple wavelengths simultaneously. Except for one mechanically damaged sample (Ho:YAP oriented along the a axis), radiation with a circular spatial profile close to the fundamental transverse mode was generated in all cases.