vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2018-54-2-210-219vestifm-318Research ArticleФИЗИКАPHYSICSТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В БЕЗОПАСНОМ ДЛЯ ГЛАЗ КОЛЬЦЕВОМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ СВЕТА НА КРИСТАЛЛАХ KTiOPO4THERMAL EFFECTS IN THE EYE-SAFE RING OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR BASED ON KTiOPO4 CRYSTALSРусакА. А.RusakA. A.

Русак Анастасия Александровна – научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики.

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск.

Аnastasiya A. Rusak – Scientific Researcher of the Laboratory of Nonlinear Optics.

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk.

bui.anastasiya@gmail.comДашкевичВ. И.DashkevichU. I.

Дашкевич Владимир Иванович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики.

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск.

Uladzimir I. Dashkevich – Ph. D. (Physics and Mathematics, Leading Scientific Researcher of the Laboratory of Nonlinear Optics.

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk.

v.dashkevich@dragon.bas-net.byОрловичВ. А.OrlovichV. A.

Орлович Валентин Антонович – академик, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейной оптики.

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск.

Valtntin A. Orlovich – Academician, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory of Nonlinear Optics.

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk.

v.orlovich@dragon.bas-net.byШкадаревичА. П.ShradarevichA. P.

Шкадаревич Алексей Петрович – академик, доктор физико-математических наук, директор НПЦ «лЭМт» БелОМО.

ул. Макаенка, 23, 220023, г. Минск.

Aliaksei P. Shradarevich – Academician, Ph. D. (Physics and Mathematics), Director.

23, Makaenka Str., 220023, Minsk.

shkad@lemt.byИнститут физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси.B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus.Научно-технический центр «ЛЭМТ» БелОМО.Unitary Enterp rise STC “LEMT” BelOMO201801072018542210219Copyright © Русак А.А., Дашкевич В.И., Орлович В.А., Шкадаревич А.П., 20182018Русак А.А., Дашкевич В.И., Орлович В.А., Шкадаревич А.П.Rusak A.A., Dashkevich U.I., Orlovich V.A., Shradarevich A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/318

Для безопасного для глаз параметрического генератора света (ПГС), выполненного на основе трехзеркального кольцевого резонатора, каждая секция которого (пространство между плоскими соседними зеркалами) содержит кристалл KTiOPO4 (KТР) х-среза размером 15(х) × 7(y) × 7(z) мм3, проведено исследование тепловых эффектов, обусловленных поглощением холостой волны в кристаллах KТР. Оценка тепловых эффектов проводилась посредством экспериментального определения изменений в рабочих характеристиках параметрического генератора света (расходимости выходного пучка и энергии импульса) при его переводе из режима генерации редко повторяющихся одиночных импульсов в режим генерации периодически повторяющихся импульсов. Выявлено, что в случае, когда безопасный для глаз ПГС, накачиваемый многомодовым излучением YAG:Nd-лазера, генерирует 8-наносекундные импульсы с частотой следования 10 Гц и энергией 30–35 мДж, термоискажения кристаллов KТР, помещенных в металлические держатели при их естественном воздушном охлаждении, носят умеренный характер. Суммарное действие положительных термолинз, наведенных в нелинейных кристаллах, вызывает увеличение расходимости пучка безопасного для глаз параметрического генератора света на 10 % и снижение эффективности ПГС на 0,76 % в силу того, что наведенные термолинзы не являются идеальными и поэтому вносят в резонатор ПГС дополнительные аберрационные потери. Теоретическое моделирование работы кольцевого параметрического генератора света в плосковолновом приближении с использованием системы трех связанных укороченных дифференциальных уравнений первого порядка показало, что среди трех кристаллов наиболее сильной тепловой нагрузке и воздействию наиболее интенсивных пучков подвергается кристалл KТР, расположенный первым по ходу излучения накачки в ПГС.

For an eye-safe optical parametric oscillator (OPO) built on the basis of a three-mirror ring cavity, each section of which (the space between adjacent plane mirrors) contains a x-cut KTiOPO4 (KТР) crystal having a size of 15(х) × 7(y) × 7(z) mm3, the thermal effects due to idler wave absorption in KTP crystals were investigated. These thermal effects were evaluated by means of experimental measurement of the change in the OPO performance (divergence of the output beam and pulse energy) when transferring the OPO from the mode of generation of occasional single pulses to the mo de of generation of periodically repetitive pulses. It was found when the eye-safe OPO pumped by multimode YAG: Nd laser radiation generates 8-ns pulses with a repetition rate of 10 Hz and an energy of 30–35 mJ, thermal distortions of KTP crystals placed in metal holders at their natural air-cooling, are moderate. The total effect of positive thermolenses induced in nonlinear crystals leads to an increase in the divergence of the beam of the eye-safe OPO by 10 % and to a decrease in the efficiency of the OPO by 0.76 %, by virtue of fact that the induced thermal lenses are not ideal and thereby introduce additional aberration losses into the OPO cavity. The theoretical simulation of the OPO operation in the plane-wave approximation with the use of a system of three coupled first-order abridged differential equations showed that among three KTP crystals the KTP crystal placed first in the path of pump radiation in the OPO is the largest thermal load and the action of the most intense beams.

безопасный для глаз кольцевой параметрический генератор светакристаллы KTiOPO4поглощение холостой волнытермоискажения нелинейных кристалловEye-safe ring optical parametric oscillatorKTiOPO4 crystalsidler wave absorptionthermal distortions of nonlinear crystalsReferencesEfficient optical parametric oscillator at 1.6 m / L. R. Marshall [et al.] // Opt. Lett. – 1991. – Vol. 16, № 9. – P. 681–683. https://doi.org/10.1364/ol.16.000681Marshall L. R., Kasinski J., Hays A. D., Burnham R. L. Efficient optical parametric oscillator at 1.6 m. Optics Letters, 1991, vol. 16, no. 9, pp. 681–683. https://doi.org/10.1364/ol.16.000681Marshall, L. R. Diode-pumped eye-safe laser source exceeding 1% efficiency / L. R. Marshall, J. Kasinski, R. L. Burnham // Opt. Lett. – 1991. – Vol. 16, № 21. – P. 1680–1682. https://doi.org/10.1364/ol.16.001680Marshall L. R., Kasinski J., Burnham R. L. Diode-pumped eye-safe laser source exceeding 1 % efficiency. Optics Letters, 1991, vol. 16, no. 21, pp. 1680–1682. https://doi.org/10.1364/ol.16.001680Marshall, L. R. Eye-safe output from noncritically phase-matched parametric oscillators / L. R. Marshall, A. Kaz. // J. Opt. Soc. Am. B. – 1993. – Vol. 10, № 9. – P. 1730–1736. https://doi.org/10.1364/josab.10.001730Marshall L. R., Kaz A. Eye-safe output from noncritically phase-matched parametric oscillators. Journal of the Optical Society of America B, 1993, vol. 10, no. 9, pp. 1730–1736. https://doi.org/10.1364/josab.10.001730Chuang, T. A KTA optical parametric oscillator pumped by a Q-switched, injection seeded Nd:YAG laser / T. Chuang, J. Kasinski, H. R. Verdún // Advanced Solid-State Lasers / eds.: S. A. Payne and C.R. Pollock. – San Francisco, 1996. – P. 179–181. https://doi.org/10.1364/assl.1996.op4Chuang T., Kasinski J., Verdún H. R.. A KTA optical parametric oscillator pumped by a Q-switched, injection seeded Nd:YAG laser. Advanced Solid-State Lasers. San Francisco, 1996, pp. 179–181. https://doi.org/10.1364/assl.1996.op4Hansson, G. Unstable resonator optical parametric oscillator based on quasi-phase-matched RbTiOAsO4 / G. Hansson, H. Karlsson, F. Laurell // Appl. Opt. – 2001. – Vol. 40, № 30. – P. 5446–5451. https://doi.org/10.1364/ao.40.005446Hansson G., Karlsson H., Laurell F. Unstable resonator optical parametric oscillator based on quasi-phase-matched RbTiOAsO4. Applied Optics, 2001, vol. 40, no. 30, pp. 5446–5451. https://doi.org/10.1364/ao.40.005446Numerical simulation and experimental investigation of parametric generation of light pulses in a KTP crystal / B. B. Sevruk [et al.] // J. Appl. Spectrosc. – 2000. – Т. 67, № 1. – P. 70–76. https://doi.org/10.1007/bf02681423Sevruk B. B., Belyi V. N., Gakhovich D. E., Orlovich V. A. Numerical simulation and experimental investigation of parametric generation of light pulses in a KTP crystal. Journal of Applied Spectroscopy, 2000, vol. 67, no. 1, pp. 70–76. https://doi.org/10.1007/bf02681423High-power sources of eye-safe radiation, based on nonlinear-optical conversion of the radiation of YAG:Nd lasers / V. A. Orlovich [et al.] // J. Opt. Technol. – 2000. – Vol. 67, № 11. – P. 984–989. https://doi.org/10.1364/jot.67.000984Orlovich V. A., Apanasevich P. A., Batishche S. A., Belyi V. N., Bui A. A., Grabchikov A. S., Kazak N. S., Kachinskii A. V. High-power sources of eye-safe radiation, based on nonlinear-optical conversion of the radiation of YAG:Nd lasers. Journal of Optical Technology, 2000, vol. 67, no. 11, pp. 984–989. https://doi.org/10.1364/jot.67.000984Highly efficient source of eye-safe radiation based on KTP optical parametric oscillator / D. E. Gakhovich [et al.] // Laser Optics '95: Solid State Lasers. – 1996. – Vol. 2772. – P. 53–61. https://doi.org/10.1117/12.238081Gakhovich D. E., Grabchikov A. S., Orlovich V. A., Pesotskij V. I., Sevruk B. B., Kamach Yu. T., Shapiro L. L., Dvornikov S. S., Tugbaev V. A. Highly efficient source of eye-safe radiation based on KTP optical parametric oscillator. Laser Optics '95: Solid State Lasers, 1996, vol. 2772, pp. 53–61. https://doi.org/10.1117/12.238081Eye-safe radiation source based on an optical parametric oscillator /A. I. Vodchits [et al.] // J. Appl. Spectrosc. – 2006. – Vol. 73, № 2. – P. 285–291. https://doi.org/10.1007/s10812-006-0070-8Vodchits A. I., Vodchits A. I., Dashkevich V. I., Kazak N. S., Pavlenko V. K., Pokryshkin V. I., Petrovich I. P., Rukhovets V. V., Kraskovskii A. S., Orlovich V. A. Eye-safe radiation source based on an optical parametric oscillator. Journal of Applied Spectroscopy, 2006, vol. 73, no. 2, pp. 285–291. https://doi.org/10.1007/s10812-006-0070-8Comparative studies of eye-safe intracavity and extracavity optical parametric oscillators with an unstable telescopic cavity / V. I. Dashkevich [et al.] // J. Appl. Spectrosc. – 2006. – Vol. 73, № 4. – P. 604–612. https://doi.org/10.1007/s10812-006-0070-8Dashkevich V. I., Vodchits A. I., Orlovich V. A., Kazak N. S., Pavlenko V. K., Pokryshkin V. I., Petrovich I. P., Rukhovets V. V. Comparative studies of eye-safe intracavity and extracavity optical parametric oscillators with an unstable telescopic cavity. Journal of Applied Spectroscopy, 2006, vol. 73, no. 4, pp. 604–612. https://doi.org/10.1007/s10812-006-0070-8Travelling-wave 1.57-m optical parametric oscillator driven by a pulsed multimode Nd3+:YAG laser / V. I. Dashkevich [et al.] // J Appl. Spectr. – 2008. – Vol. 75, № 4. – P. 285–291. https://doi.org/10.1007/s10812-008-9077-7Dashkevich V. I., Orlovich V. A., Shkadarevich A. P., Shushpanov A. S. Travelling-wave 1.57-m optical parametric oscillator driven by a pulsed multimode Nd3+:YAG laser. Journal of Applied Spectroscopy, 2008, vol. 75, no. 4, pp. 285–291. https://doi.org/10.1007/s10812-008-9077-7High-average-power KTiOAsO4 optical parametric oscillator / M. S. Webb [et al.] // Opt. Lett. – 1998. – Vol. 23, № 15. – P. 1161–1163. https://doi.org/10.1364/ol.23.001161Webb M. S., Moulton P. F., Kasinski J. J., Burnham R. L., Loiacono G., Stolzenberger R. High-average-power KTiOAsO4 optical parametric oscillator. Optics Letters, 1998, vol. 23, no. 15, pp. 1161–1163. https://doi.org/10.1364/ol.23.001161Мезенов, А. В. Термооптика твердотельных лазеров / А. В. Мезенов, Л. Н. Сомс, А. И. Степанов. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. – 197 с.Mezenov A. V, Soms L. N., Stepanov A. I. Thermo-optics of solid-state lasers. Leningrad, Mechanical engineering, Leningrad Branch Publ., 1986. 197 p. (in Russian).Bierlein, J. D. Potassium titanyl phosphate: properties and new applications / J. D. Bierlein, H. Vanherzeele // J. Opt. Soc. Am. B. – 1989. – Vol. 6, № 4. – P. 622–633. https://doi.org/10.1364/josab.6.000622Bierlein J. D., Vanherzeele H. Potassium titanyl phosphate: properties and new applications. Journal of the Optical Society of America B, 1989, vol. 6, no. 4, pp. 622–633. https://doi.org/10.1364/josab.6.000622On thermal effects in solid-state lasers: The case of ytterbium-doped materials / S. Chenais [et al.] // Prog. Quantum Electron. – 2006. – Vol. 30, № 4. – Р. 89–153. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2006.12.001Chenais S., Druon F., Forget S., Balembois F., Georges P. On thermal effects in solid-state lasers: The case of ytterbium-doped materials. Progress in Quantum Electron, 2006, vol. 30, no. 4, pp. 89–153. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2006.12.001Thermal modeling of continuous-wave end-pumped solid-state lasers / M. E. Innocenzi [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 1990. – Vol. 56, № 19. – P. 1831–1833. https://doi.org/10.1063/1.103083Innocenzi M. E., Yura H. T., Fincher C. L., Fields R. A. Thermal modeling of continuous-wave end-pumped solid-state lasers. Applied Physics Letters, 1990, vol. 56, no. 19, pp. 1831–1833. https://doi.org/10.1063/1.103083Optimization in scaling fiber-coupled laser-diode end-pumped lasers to higher power: influence of thermal effect / Y. F. Chen [et al.] // IEEE J. Quantum Electron. – 1997. – Vol. 33, № 8. – P. 1424–1429. https://doi.org/10.1109/3.605566Chen Y. F., Kao C. F., Huang T. M., Wang C. L., Wang S. C. Optimization in scaling fiber-coupled laser-diode end-pumped lasers to higher power: influence of thermal effect. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1997, vol. 33, no. 8, pp. 1424–1429. https://doi.org/10.1109/3.605566Influence of aberrations on fundamental mode of high power rod solid-state lasers / J. Bourderionneta [et al.] // Opt. Commun. – 2002. – Vol. 204, № 1/6. – P. 299–310. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(02)01202-6Bourderionneta, J., Brignona A., Huignarda J.-P., Freyb R. Influence of aberrations on fundamental mode of high power rod solid-state lasers. Optics Communication, 2002, vol. 204, no. 1–6, pp. 299–310. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(02)01202-6More precise determination of thermal lens focal length for end-pumped solid-state lasers / S. Fan [et al.] // Opt. Commun. – 2006. – Vol. 266, № 2. – P. 620–626. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2006.05.023Fan S., Zhang X., Wang Q., Li S., Ding S., Su F. More precise determination of thermal lens focal length for end-pumped solid-state lasers. Optics Communication, 2006, vol. 266, no. 2, pp. 620–626. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2006.05.023Thermally induced diffraction losses for a Gaussian pump beam and optimization of the mode-to-pump ratio in an end-pumped Nd:GdVO4 laser / Y. T. Wang [et al.] // Laser Phys. – 2013. – Vol. 23, № 10. – P. 105–109. https://doi.org/10.1088/1054-660x/23/10/105002Wang Y. T., Li W. J., Pan L. L., Yu J. T., Zhang R. H. Thermally induced diffraction losses for a Gaussian pump beam and optimization of the mode-to-pump ratio in an end-pumped Nd:GdVO4 laser. Laser Physics, 2013, vol. 23, no. 10, pp. 105–109. https://doi.org/10.1088/1054-660x/23/10/105002Brosnan, S. J. Optical parametric oscillator threshold and linewidth studies / S. J. Brosnan, R. L. Bayer // IEEE J. Quantum Electron. – 1979. – Vol. 15, № 6. – P. 1415–432. https://doi.org/10.1109/jqe.1979.1070027Brosnan S. J., Bayer R. L. Optical parametric oscillator threshold and linewidth studies. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1979, vol. 15, no. 6, pp. 1415–432. https://doi.org/10.1109/jqe.1979.1070027Hansson, G. Transmission measurements in KTP and isomorphic compounds / G. Hansson, H. Karlsson // Appl. Opt. – 2000. – Vol. 39, № 27. – P. 5058–5069. https://doi.org/10.1364/ao.39.005058Hansson G., Karlsson H. Transmission measurements in KTP and isomorphic compounds. Applied Optics, 2000, vol. 39, , no. 27, pp. 5058–5069. https://doi.org/10.1364/ao.39.005058

The authors declare that there are no conflicts of interest present.