Кристалл Yb3+:LuAlO3 как активная среда для пикосекундных лазеров с синхронизацией мод

Проведено математическое моделирование и экспериментальное исследование режима несолитонной синхронизации мод в лазере на кристалле Yb^3+: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 Yb^3+:LuAlO₃ в качестве источника накачки.

1. 250 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.41.000492

2. 1.1 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.413129

3. 115 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.201110019

4. Diode-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.18.016320

5. Yb3+-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.30.003234

6. Zhao, 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.21.031846

7. Passively 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/pl00021154

8. Ruffing, 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/s003400050541

9. McDonagh, 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.32.001259

10. χ(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.3

11. Spectroscopy 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.41.005805

12. Boulon, 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.25.000884

13. Integral 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.a0

14. Agrawal, G. P. Nonlinear Fiber Optics / G. P. Agrawal. – 4th. ed. – Elsevier, 2007 – 529 p.

15. 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-c