Высокоэффективный мощный ИАГ:Nd-лазер с пассивной синхронизацией мод резонатора лазерным затвором на однослойном CVD-графене, нанесенном на зеркало резонатора
Высокоэффективный мощный ИАГ:Nd-лазер с пассивной синхронизацией мод резонатора лазерным затвором на однослойном CVD-графене, нанесенном на зеркало резонатора
Пресс-релиз публикации: D.P. Tereshchenko, M.N. Ershkov, S.A. Solokhin, S.A. Slukhov, S.N. Smetanin, Yu.A. Kochukov, A.G. Papashvili, M.G. Rybin, A. Ismaeel, E.D. Obraztsova, «Highly efficient, powerful Nd:YAG laser CW mode-locked with a monolayer CVD graphene saturable absorber mirror», Journal of the Optical Society of America B. – 2024. – Vol. 41, No. 2. – P. 514-518. DOI: 10.1364/JOSAB.514747
Лазеры ультракоротких импульсов излучения имеют большой потенциал применения для обработки материалов, медицины, биологии и во многих других областях. Пассивная техника синхронизации мод резонатора обеспечивает компактность и простоту конструкции лазера. При этом использование графена в качестве быстро релаксирующего пассивного лазерного затвора в последнее время привлекает всё больше внимания благодаря его уникальным свойствам, в особенности, короткому времени релаксации, малым вредным потерям и ахроматизму, а также простоте создания графеновых пленок.
Известно, что при использовании графенового затвора твердотельные лазеры с диодной накачкой и синхронизацией мод резонатора обычно имеют низкую среднюю мощность излучения (< 1 Вт) или низкий КПД генерации (< 10 %) ввиду вредных потерь или оптического пробоя в графеновом затворе, либо из-за тепловой нагрузки как на затвор, так и на активный лазерный кристалл. В настоящей работе дизайн ИАГ:Nd-лазера был улучшен для обеспечения высокоэффективной и высокомощной лазерной генерации. Вредные потери резонатора были минимизированы благодаря использованию затвора на высококачественном однослойном CVD-графене, нанесенном непосредственно на концевое зеркало резонатора. Это обусловлено тем, что однослойный графен обладает наименьшим поглощением в насыщенном состоянии 0.8 % (в многослойном графене оно пропорционально числу слоев). Однако поглощение в ненасыщенном состоянии затвора составляло тоже малую величину 2.5 %, что затрудняло стабильный периодический срыв генерации в процессе синхронизации продольных мод резонатора. Эта проблема была решена при использовании длинного резонатора, соответствующего границе диаграммы устойчивости, что обеспечило стабильность синхронизации мод резонатора. В результате впервые были получены рекордно высокие оптический и дифференциальный КПД генерации (19.1 и 24.5 %) при средней мощности пикосекундного импульсно-периодического излучения, превышающей ваттный уровень. На рисунке 1 представлена зависимость средней выходной мощности излучения от мощности накачки, показан профиль пучка выходного излучения. Также представлена осциллограмма стабильного режима синхронизации мод.
Пять из десяти авторов данной работы являются сотрудниками ИОФ РАН. Основными исполнителями данной работы являлись научные сотрудники Отдела лазерных материалов и фотоники – Д.П. Терещенко, С.Н. Сметанин, Ю.А. Кочуков и А.Г. Папашвили (лазерные эксперименты). Также в работе принимала участие сотрудница Отдела светоиндуцированных поверхностных явлений ЦЕНИ – Е.Д. Образцова (создание и характеризация графенового затвора).
Пресс-релиз подготовил: старший научный сотрудник научного центра лазерных материалов и технологий ИОФ РАН, доктор физико-математических наук С.Н. Сметанин.
Рис. 1. Зависимость средней выходной мощности от мощности накачки и осциллограмма стабильного режима синхронизации мод (Источник: D.P. Tereshchenko, M.N. Ershkov, S.A. Solokhin, S.A. Slukhov, S.N. Smetanin, Yu.A. Kochukov, A.G. Papashvili, M.G. Rybin, A. Ismaeel, E.D. Obraztsova, «Highly efficient, powerful Nd:YAG laser CW mode-locked with a monolayer CVD graphene saturable absorber mirror», Journal of the Optical Society of America B. – 2024. – Vol. 41, No. 2. – P. 514-518. DOI: 10.1364/JOSAB.514747)