Физики продемонстрировали линейно поляризованную лазерную генерацию в кристалле KEu(WO₄)₂ мощностью свыше одного ватта и дифференциальной эффективностью в 42,3 процента. Излучение генерировалось на длине волны 703 нанометра и обладало слабо эллиптичным поперечным профилем.

Исследование опубликовано Optics Letters.

Редкоземельные ионы, такие как Pr³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Sm³⁺ или Eu³⁺ обладают ценными люминесцентными свойствами, что обуславливает их широкое применение в оптике. Особый интерес представляют ионы европия Eu³⁺, которые отличает наличие целого набора узких и интенсивных спектральных линий в видимом диапазоне. Кроме того, ионы Eu³⁺ обладают одной из самых простых схем энергетических уровней, что облегчает планирование и анализ экспериментов.

Несмотря на множество их полезных свойств, в литературе очень мало данных о лазерной генерации в кристаллах, допированных ионами Eu³⁺. Все имеющиеся исследования демонстрируют довольно низкую мощность и дифференциальную эффективность генерации. Одной из причин этого — низкая эффективность накачки и высокие требования к ее спектральной точности.

Преодолеть эти трудности удалось группе физиков из Германии и Франции при участии Патрис Кэми (Patrice Camy) из Университета Кан-Нормандия. В качестве рабочего тела ими был использован монокристалл KEu(WO₄)₂, а в качестве накачки — излучение лазера марки Verdi G Series фирмы Coherent с длиной волны 532 нанометра и мощностью до девяти ватт.

Фотография выращенного монокристалла KEu(WO₄)₂. Длина – 40 миллиметров, масса – 61 грамм. / P. Loiko et al / Optics Letters, 2021

Монокристалл KEu(WO₄)₂ был изготовлен методом выращивания из раствора при температуре 1228 кельвин. Рост происходил вдоль кристаллографического направления [010]. За счет наличия ионов Eu³⁺ монокристалл имеет розовый оттенок. Авторы оценили концентрацию ионов, равной 61,55×10²⁰ обратных кубических сантиметров при плотности материала, равной 7,07 грамм на кубический сантиметр. Для эксперимента из кристалла был сформирован параллелепипед размерами 4,75 на 5,07 на 5,21 миллиметров, грани которого были отполированы.

Эксперимент по лазерной генерации проводился для двух разных форм резонатора. В первом случае выходное зеркало резонатора было вогнутым, во втором — плоским.

Меняя в первом случае фокусное расстояние выходного зеркала, физики влияли на порог генерации и дифференциальную эффективность, которая определяет приращение мощности генерации на единицу мощности накачки. Оптимальный режим был достигнут для фокусного расстояния, равного 75 миллиметрам, при котором мощность лазера составила 0,532 ватта, порог — 565 милливатт, а дифференциальная эффективность — 34 процента.

Схема эксперимента с плоским выходным зеркалом (ОС). Зеркало, расположенное со стороны накачки (PM), пропускало 86 процентов света на длине волны лазера накачки и отражало почти весь свет на длинах волн генерации. / P. Loiko et al / Optics Letters, 2021

Однако более удачной оказалась схема с плоским выходным зеркалом. В этом случае удалось достичь значений пиковой мощности в 1,1 ватт, дифференциальной эффективности в 43,2 процента, а порога — всего 64 милливатта. В уменьшении порога также сыграло роль понижение коэффициента пропускания выходного зеркала. Авторы связывают успешность генерации в случае плоского зеркала с наличием естественного линзирования в самом кристалле.

Физики также исследовали режим непрерывной работы изготовленного лазера. Они показали, что после одной миллисекунды начинается стабильная генерация, чьи незначительные флуктуации вызваны флуктуациями мощности лазера накачки. Авторы исследовали профиль пучка, который демонстрировал гауссово распределение интенсивности с небольшой эллиптичностью. Последнее ученые связывают с астигматическим линзированием самого кристалла, вызванное его двуосностью.

(a) Зависимость мощности лазера от времени при подаче накачки в нулевой момент времени. (b) Фотография профиля лазерного пучка, сгенерировано в схеме с плоским выходным зеркалом. / P. Loiko et al / Optics Letters, 2021

Авторы отмечают, что достигнутые ими характеристики стали рекордными для европиевых лазеров. Дальнейшее улучшение установки они видят в добавлении активного охлаждения для стабильной работы в высокомощном непрерывном режиме. Кроме того, физики надеются в будущем получить генерацию и на других длинах волн.