Мощный наносекундный одночастотный лазер с длиной волны 780 нм
Адаптация научной статьи
Лазеры на 780 нм широко применяются в квантовых технологиях для охлаждения, захвата и манипуляции атомами в атомных часах, квантовых процессорах и сенсорах. Узкая ширина спектральной линии позволяет селективно воздействовать на нужный квантовый переход. С развитием технологий требования к ним возрастают. Ввиду прохождения через множество оптических элементов, расширения пучка, потерь в тракте и мультиимпульсного режима повышаются потребности в средней мощности. Поэтому разработка мощного импульсного лазера на 780 нм с узкой линией и мегагерцевой частотой повторения очень актуальна.
Кристалл LBO
LBO обладает высоким порогом повреждения и хорошей термостабильностью, подходит для мощного удвоения частоты. Но его нелинейный коэффициент невелик, поэтому нужен мощный и спектрально чистый источник накачки на основной частоте. При этом в узкополосном режиме усиление на 1560 нм ограничено вынужденным бриллюэновским рассеянием, что мешает одновременно получить высокую мощность и узкую линию. Так что получение мощного импульсного излучения 780 нм через удвоение в LBO – сложная задача.
Реализован мощный импульсный одночастотный лазерный источник на 780 нм с высокой частотой повторения на основе усиления одночастотного волоконного лазера на 1560 нм и однопроходного удвоения частоты в кристалле LBO. При частоте повторения 10 МГц система обеспечивает среднюю выходную мощность на 780 нм до 17,2 Вт, что соответствует эффективности преобразования 25,03%. Длительность импульса составляет около 1,85 нс, качество пучка достигает M² ≈ 1,06, что близко к дифракционному пределу. Данная работа демонстрирует рекордный на сегодняшний день уровень средней мощности для наносекундных импульсных одночастотных лазеров на 780 нм среди опубликованных результатов.
Рис. 1 – Схема установки (с подписями (a) 1560 нм, (b) 25 мкм, (c) 780 нм)
Схема экспериментальной установки показана на Рис. 1. В данной работе использовалась полностью волоконная схема MOPA на 1560 нм с сохранением поляризации. В качестве задающего генератора применялся одночастотный DFB-лазер. После двух каскадов предварительного усиления и одного каскада основного усилителя на основе эрбиевого волокна с сохранением поляризации и большой площадью моды (25/300 мкм) была получена выходная мощность на частоте 1560 нм до 94,2 Вт, что позволило получить высококачественный источник на основной частоте для последующего эффективного удвоения до 780 нм (Рис. 2).
Рис. 2 – (a) Зависимость выходной мощности на 1560 нм и обратной мощности от мощности накачки; на вставке – профиль выходного пятна; (b) спектр выходного излучения на 1560 нм; (c) форма импульса на 1560 нм
В части удвоения частоты использовалась однопроходная схема с кристаллом LBO. Излучение на 1560 нм после коллимации и фокусировки направлялось в кристалл LBO размером 2×2×60 мм³. Температура кристалла поддерживалась на уровне 129,2±0,1 °C. При входной мощности 68,7 Вт на основной частоте была получена выходная мощность на 780 нм 17,2 Вт с эффективностью преобразования 25,03%. Спектр выходного излучения и форма импульса сохраняли высокое качество (Рис. 3).
Рис. 3 – (a) Выходная мощность на 780 нм при удвоении и эффективность преобразования; (b) спектр выходного излучения на 780 нм; (c) форма импульса на 780 нм
Для дальнейшей оценки характеристик системы удвоения были проведены измерения температурной настройки кристалла LBO и качества выходного пучка на 780 нм (Рис. 4). При различных уровнях входной мощности на основной частоте, кристалл LBO демонстрирует широкий температурный диапазон согласования, и для поддержания высокой эффективности удвоения требуется лишь небольшая подстройка температуры фазового синхронизма, что свидетельствует о хорошей термической стабильности. Качество пучка на 780 нм достигло качества пучка M² ≈ 1,06, что близко к дифракционному пределу.
Рис. 4 – (a) Кривая температурной настройки; (b) измерение M²; (c) профиль пятна на 780 нм
Кроме того, сравнительное исследование работы системы на разных частотах повторения показало, что при более низких частотах можно достичь более высокой пиковой мощности, однако из-за усиления нелинейных эффектов спектральное качество ухудшается, что ограничивает эффективность удвоения. Таким образом, частота повторения 10 МГц обеспечивает наилучший баланс между пиковой мощностью, спектральным качеством и эффективностью преобразования, позволяя получать стабильный и эффективный выход на 780 нм.
Данная работа опубликована в журнале High Power Laser Science and Engineering под заголовком «High-power high-repetition-rate nanosecond pulsed single frequency laser at 780 nm».
https://doi.org/10.1017/hpl.2026.10171
Материал подготовлен совместно с Тэн Синьюй, компания Filase Laser Technology.
Перевел и адаптировал статью:
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
