Активный элемент ZnSe:Cr2+ для перестраиваемых лазеров среднего ИК-диапазона длин волн Активные среды для лазеров среднего ИК-диапазона

Краткая характеристика

Селенид и сульфид цинка (и их твёрдые растворы), легированные ионами хрома или железа — являются активными средами для перестраиваемых лазеров среднего ИК-диапазона длин волн (2 — 5 мкм). Лазеры на их основе просты в устройстве, компактны, имеют широкий диапазон непрерывной перестройки (более 1 мкм), могут работать при комнатных температурах, позволяют реализовать высокий КПД и свободны от основного недостатка параметрических генераторов – нестабильности спектра генерации.

Возможные области применения лазеров на халькогенидах цинка:

Лазеры, работающие в среднем ИК-диапазоне (2-5 мкм), могут быть использованы в широком классе приборов как гражданского применения, так и двойного назначения для работы в окнах прозрачности атмосферы 2-3 и 4-5 мкм. Наибольший интерес представляют:

• Медицинские лазерные комплексы с перестраиваемой длиной волны.

• Обработка полимерных материалов (резка, пайка, скрайбирование).

• Системы создания активных помех для ракет с тепловым наведением (для работы по воздушным целям используется наведение на длине волны 4,5-4,7 мкм; лазерным импульсом на этой длине волны выводится из строя система наведения ракеты).

• Системы защищённой неподавляемой атмосферной оптической связи.

• Оптические стенды для наладки/тестирования систем наведения.

• Лидары (лазерное зондирование атмосферы) для дистанционного определения следов сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) в атмосфере, утечек радиоактивных веществ (UF6).

Преимущества по сравнению с аналогами

Наибольший прогресс в области создания активных сред на халькогенидах цинка и лазеров на их основе за рубежом достигнут у группы С. Мирова (The University of Alabama at Birmingham, США). Их технологии коммерциализованы на базе IPG Photonics (США). Отличием разработанных в ИХВВ технологий является более высокое качество активных элементов (проявляется в низких порогах генерации и высоком КПД при комнатной температуре>70% и >50% для сред, легированных хромом и железом соответственно), возможность создания элементов с нелегированными торцами, что повышает порог лазерного разрушения, а также возможность создания крупногабаритных элементов (аналоги ограничены толщиной  ~5 мм и диаметром ~50 мм).

Реализованные лазерные источники:

На полученных образцах ZnSe:Cr2+ и ZnS:Cr2+ достигнуты лазерные характеристики (перестройка от 2,1 до 2,8 мкм, импульсно-периодический режим с частотой от 100 Гц до 30 кГц, длительность импульса 20-100 нс), достаточные для решения прикладных задач.

Изготовлен лазер на ZnSe:Fe2+ и исследованы его генерационные характеристики. Накачка осуществлялась излучением мощного импульсного HF лазера с длительностью импульса по полуамплитуде τ≈130÷160 нс и пятном эллиптической формы. Для больших размеров пятна была выполнена оптимизация резонатора которая позволила получить энергию генерации E=1,4 Дж при КПД по поглощенной энергии ηabs≈51%. Порог генерации образца по плотности поглощенной энергии удалось снизить почти в два раза по сравнению с известными значениями (до Et=0.12 Дж/см2). Энергия генерации была ограничена мощностью используемого лазера накачки, возможности активного элемента позволяют дальше масштабировать энергию лазерного излучения.