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"10.29235/1561-2430-2021-57-4-485-494vestifm-618Research ArticleФИЗИКАPHYSICSКристалл Yb3+:LuAlO3 как активная среда для пикосекундных лазеров с синхронизацией модThe Yb3+:LuAlO3 crystal as an active medium for picosecond mode-locked lasersКисельВ. Э.KiselV. E.

Кисель Виктор Эдвардович – кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательским центром оптических материалов и технологий

пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск

Viktor E. Kisel – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of Research Center of Optical Materials and Technologies

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk

vekisel@bntu.byКулешовН. В.KuleshovN. V.

Кулешов Николай Васильевич – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой лазерной техники и технологии

пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск

Nikolay V. Kuleshov – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Head of Laser Devices and Technology Department

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk

nkuleshov@bntu.byЯсюкевичА. С.YasukevichA. S.

Ясюкевич Анатолий Сергеевич – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудникнаучно-исследовательского центра оптических материалов и технологий

пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск

Anatoly S. Yasukevich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher at the Research Center of Optical Materials and Technologies

65, Nezavisimosti Ave., 220013,  Minsk

anatol@bntu.byБелорусский национальный технический университетBelarussian National Technical University202127122021574485494Copyright © Кисель В.Э., Кулешов Н.В., Ясюкевич А.С., 20212021Кисель В.Э., Кулешов Н.В., Ясюкевич А.С.Kisel V.E., Kuleshov N.V., Yasukevich A.S.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/618

Проведено математическое моделирование и экспериментальное исследование режима несолитонной синхронизации мод в лазере на кристалле Yb3+:LuAlO3 с продольной накачкой излучением лазерного диода. Моделирование на основе уравнения Хауса (the Haus master equation) позволило определить требования к параметрам насыщающегося поглотителя (НП), уровню средней выходной мощности, размерам TEM00 моды резонатора в активном элементе и на затворе для получения стабильного режима генерации пикосекундных лазерных импульсов. Лазерные эксперименты проведены в четырехзеркальном Х-образном резонаторе с использованием полупроводникового насыщающегося зеркала (SESAM) в качестве пассивного затвора и лазерного диода с волоконным выходом максимальной мощностью до 30 Вт на длине волны 978,5 нм в качестве источника накачки. Получен стабильный режим пассивной синхронизации мод с максимальной средней выходной мощностью до 12 Вт и длительностью ультракоротких импульсов около 2 пс при оптической эффективности преобразования излучения накачки в излучение генерации около 38 %. Лазерные импульсы были получены на центральной длине волны около 999 нм с минимальным стоксовым сдвигом (около 2 %) по отношению к излучению накачки, что существенно снижало тепловую нагрузку на активном элементе. Дополнительно приведены предварительные результаты по генерации второй гармоники и синхронной накачке параметрического генератора света с использованием лазера на кристалле Yb3+:LuAlO3 в качестве источника накачки.

Herein, we report on the mathematical modelling and experimental study of the regime of nonsoliton mode locking in a laser based on the Yb3+:LuAlO3 (Yb:LuAP) crystal with longitudinal pumping by laser diode radiation. Simulation based on the Haus master equation permitted to determine the requirements for the parameters of a saturable absorber (SA), the level of the average output power, the size of the TEM00 mode of the cavity in the active element and on the gate to obtain a stable regime of generation of picosecond laser pulses. Laser experiments were carried out in a fourmirror X-shaped resonator using a semiconductor saturable mirror (SESAM) as a passive modulator and a laser diode with a fiber output of a maximum power up to 30 W at a wavelength of 978.5 nm as a pump source. We obtained a stable passive mode locking with a maximum average output power of up to 12 W and an ultrashort pulse duration of about 2 ps at an optical conversion efficiency of pump radiation into lasing radiation of about 38 %. Laser pulses were obtained at a central wavelength of about 999 nm with a minimum Stokes shift (about 2 %) with respect to the pump radiation, which significantly reduced the thermal load on the active element. Additionally, the preliminary results on the second harmonic generation and synchronous pumping of a parametric light generator using a Yb3+ : LuAlO3 crystal laser as a pump source are presented.

пикосекундный лазерпассивная синхронизация модкристалл Yb3+:LuAlO3полупроводниковое насыщающееся зеркало (SESAM)picosecond laserpassive mode-lockingYb:LuAP crystalsemiconductor saturable-absorber mirror (SESAM)References250 W average power, 100 kHz repetition rate cryogenic Yb:YAG amplifier for OPCPA pumping / L. E. Zapata [et al.] // Opt. Lett. – 2016. – Vol. 41, № 3. – P. 492–495. https://doi.org/10.1364/ol.41.000492Zapata L. E., Reichert F., Hemmer M., Kärtner F. X. 250 W average power, 100 kHz repetition rate cryogenic Yb:YAG amplifier for OPCPA pumping. Optics Letters, 2016, vol. 41, no. 3, pp. 492–495. https://doi.org/10.1364/ol.41.0004921.1 J Yb:YAG picosecond laser at 1 kHz repetition rate / Y. Wang [et al.] // Opt. Lett. – 2020. – Vol. 45, № 24. – P. 6615– 6618. https://doi.org/10.1364/ol.413129Wang Y., Chi H., Baumgarten C., Dehne K., Meadows A. R., Davenport A., Murray G., Reagan B. A., Menoni C. S., Rocca J. J. 1.1 J Yb:YAG picosecond laser at 1 kHz repetition rate. Optics Letters, 2020, vol. 45, no. 24, pp. 6615–6618. https:// doi.org/10.1364/ol.413129115 fs pulses from Yb3+:KY(WO4)2 laser with low loss nanostructured saturable absorber / A. A. Kovalyov [et al.] // Laser Phys. Lett. – 2011. – Vol. 8, № 6. – P. 431. https://doi.org/10.1002/lapl.201110019Kovalyov A. A., Preobrazhenskii V. V., Putyato M. A., Pchelyakov O. P., Rubtsova N. N., Semyagin B. R., Kisel V. E., Kurilchik S. V., Kuleshov N. V. 115 fs pulses from Yb3+:KY(WO4)2 laser with low loss nanostructured saturable absorber. Laser Physics Letters, 2011, vol. 8, no. 6, pp. 431. https://doi.org/10.1002/lapl.201110019Diode-pumped gigahertz femtosecond Yb:KGW laser with a peak power of 3.9 kW / S. Pekarek [et al.] // Opt. Express. – 2010. – Vol. 18, № 16. – P. 16320–16326. https://doi.org/10.1364/OE.18.016320Pekarek S., Fiebig C., Stumpf M. C., Oehler A. E. H., Paschke K., Erbert G., Südmeyer T., Keller U. Diode-pumped gigahertz femtosecond Yb:KGW laser with a peak power of 3.9 kW. Optics Express, 2010, vol. 18, no. 16, pp. 16320–16326. https://doi.org/10.1364/OE.18.016320Yb3+-doped YVO4 crystal for efficient Kerr-lens mode locking in solid-state lasers / A. A. Lagatsky [et al.] // Opt. Lett. – 2005. – Vol. 30, № 23. – P. 3234–3236. https://doi.org/10.1364/ol.30.003234Lagatsky A. A., Sarmani A. R., Brown C. T. A., Sibbett W., Kisel V. E., Selivanov A. G., Denisov I. A., Troshin A. E., Yumashev K. V., Kuleshov N. V., Matrosov V. N., Matrosova T. A., Kupchenko M. I. Yb3+-doped YVO4 crystal for efficient Kerr-lens mode locking in solid-state lasers. Optics Letters, 2005, vol. 30, no. 23, pp. 3234–3236. https://doi.org/10.1364/ ol.30.003234Zhao, H. Powerful 67 fs Kerr-lens mode-locked prismless Yb:KGW oscillator / H. Zhao, A. Major // Opt. Express. – 2013. – Vol. 21, № 26. – P. 31846–31851. https://doi.org/10.1364/oe.21.031846Zhao H., Major A. Powerful 67 fs Kerr-lens mode-locked prismless Yb:KGW oscillator. Optics Express, 2013, vol. 21, no. 26, pp. 31846–31851. https://doi.org/10.1364/oe.21.031846Passively mode-locked high-power Nd:YAG lasers with multiple laser heads / Spühler G. J. [et al.] // Appl. Phys. B. – 2000. – Vol. 71, № 1. – P. 19–25. https://doi.org/10.1007/pl00021154Spühler G. J., Südmeyer T., Paschotta R., Moser M., Weingarten K. J., Keller U. Passively mode-locked high-power Nd:YAG lasers with multiple laser heads. Applied Physics B, 2000, vol. 71, no. 1, pp. 19–25. https://doi.org/10.1007/pl00021154Ruffing, B. All-solid-state cw mode-locked picosecond KTiOAsO4 (KTA) optical parametric oscillator / B. Ruffing, A. R. Nebel, Wallenstein // Appl. Phys. B. – 1998. – Vol. 67, № 5. – P. 537–544. https://doi.org/10.1007/s003400050541Ruffing B., Nebel A., Wallenstein R. All-solid-state cw mode-locked picosecond KTiOAsO4 (KTA) optical parametric oscillator. Applied Physics B, 1998, vol. 67, no. 5, pp. 537–544. https://doi.org/10.1007/s003400050541McDonagh, L. 111 W, 110 MHz repetition-rate, passively mode-locked TEM00 Nd:YVO4 master oscillator power amplifier pumped at 888 nm / L. McDonagh, R. Wallenstein, A. Nebel // Opt. Lett. – 2007. – Vol. 32, № 10. – P. 1259–1261. https://doi.org/10.1364/ol.32.001259McDonagh L., Wallenstein R., Nebel A. 111 W, 110 MHz repetition-rate, passively mode-locked TEM00 Nd:YVO4 master oscillator power amplifier pumped at 888 nm. Optics Letters, 2007, vol. 32, no. 10, pp. 1259–1261. https://doi. org/10.1364/ol.32.001259χ(2)-Lens Mode-Locking of a High Average Power Nd:YVO4 Laser / V. Aleksandrov [et al.] // CLEO: 2014. OSA Technical Digest (online). – Opt. Soc. Am., 2014. – Paper SM4F.3. https://doi.org/10.1364/cleo_si.2014.sm4f.3Aleksandrov V., Grigorova T., Iliev H., Trifonov A., Buchvarov I. χ(2)-Lens Mode-Locking of a High Average Power Nd:YVO4 Laser. CLEO: 2014, OSA Technical Digest (online). Optical Society of America, 2014. Paper SM4F.3. https://doi. org/10.1364/cleo_si.2014.sm4f.3Spectroscopy and continuous wave laser performance of Yb3+:LuAlO3 crystal / A. Rudenkov [et al.] // Opt. Lett. – 2016. – Vol. 41, № 24. – P. 580–5808. https://doi.org/10.1364/ol.41.005805Rudenkov A., Kisel V., Yasukevich A., Hovhannesyan K., Petrosyan A., Kuleshov N. Spectroscopy and continuous wave laser performance of Yb3+:LuAlO3 crystal. Optics Letters, 2016, vol. 41, no. 24, pp. 5805–5808. https://doi.org/10.1364/ ol.41.005805Boulon, G. Characterization and comparison of Yb3+-doped YAlO3 perovskite crystals (Yb:YAP) with Yb3+-doped Y3Al5O12 garnet crystals (Yb:YAG) for laser application / G. Boulon // J. Opt. Soc. Am. B. – 2008. – Vol. 25, № 5. – P. 884– 896. https://doi.org/10.1364/josab.25.000884Boulon G. Characterization and comparison of Yb3+-doped YAlO3 perovskite crystals (Yb:YAP) with Yb3+-doped Y3Al5O12 garnet crystals (Yb:YAG) for laser application. Journal of the Optical Society of America B, 2008, vol. 25, no. 5, pp. 884–896. https://doi.org/10.1364/josab.25.000884Integral Method of Reciprocity in the Spectroscopy of Laser Crystals with Impurity Centers / A. S. Yasyukevich [et al.] // J. Appl. Spectrosc. – 2008. – Vol. 71, № 2. – P. 202– 208. https://doi.org/10.1023/b:japs.0000032875.04400.a0Yasyukevich A. S., Shcherbitskii V. G., Kisel V. E., Mandrik A. V., Kuleshov N. V. Integral Method of Reciprocity in the Spectroscopy of Laser Crystals with Impurity Centers. Journal of Applied Spectroscopy, 2008, vol. 71, no. 2, pp. 202–208. https://doi.org/10.1023/b:japs.0000032875.04400.a0Agrawal, G. P. Nonlinear Fiber Optics / G. P. Agrawal. – 4th. ed. – Elsevier, 2007 – 529 p.Agrawal G. P. Nonlinear Fiber Optics, 4 th. ed. Elsevier, 2007. 529 p.Magni, V. ABCD matrix analysis of propagation of gaussian beams through Kerr media / V. Magni, G. Cerullo, S. De Silvestri // Opt. Commun. – 1993. – Vol. 96, № 4–6. – P. 348–355. https://doi.org/10.1016/0030-4018(93)90284-cMagni V., Cerullo G., De Silvestri S. ABCD matrix analysis of propagation of gaussian beams through Kerr media. Optics Communications, 1993, vol. 96, no. 4–6, pp. 348–355. https://doi.org/10.1016/0030-4018(93)90284-c

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