Energy characteristics of parametric generator based on nonlinear crystal ZnGeP₂ for lidar systems and remote.pdf Одной из важнейших задач для источников среднего ИК-диапазона является мониторинг экологической обстановки вблизи магистральных газопроводов с целью предотвращения утечек газа из трубопровода. Максимальное сечение взаимодействия излучения с компонентами атмосферы из всех спектроскопических эффектов наблюдается при резонансном поглощении. Это, в свою очередь, определяет высокую чувствительность метода дифференциального поглощения (МДП), использующего данное явление, а также перспективы применения в лидарной технике [1]. Основным компонентом природного газа ~ 70-80 % [2] является метан, полосы поглощения которого в среднем ИК-диапазоне попадают в окно прозрачности атмосферы [3], поэтому для дистанционного определения утечки газа используются линии поглощения именно метана. В [3, 4] показано, что линии поглощения, лежащие в области 3 мкм и попадающие в окно прозрачности атмосферы, наиболее перспективны для систем бортового мониторинга. Разработка компактного и мобильного твердотельного источника узкополосного излучения в полосе поглощения метана (~ 3 мкм) с достаточными энергетическими характеристиками для создания лидарных систем бортового базирования с высотой зондирования ~ 1 км остается актуальной задачей. Одним из наиболее перспективных путей решения данной задачи представляется создание генератора когерентного излучения на основе параметрического преобразования частоты в нелинейно-оптических кристаллах. Цель настоящей работы - определение энергетических характеристик излучения параметрического генератора (ПГ) на базе нелинейного кристалла ZnGeP2 в спектральном диапазоне 3-5 мкм при накачке излучением Ho:YAG-лазера. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение Экспериментальная установка, на которой выполнялись исследования, идентична установке, использованной в [5]. В качестве источника накачки ПГ на базе монокристалла ZnGeP2 применялся импульсно-периодический Ho:YAG-лазер с длиной волны генерируемого излучения 2.096 мкм, накачка которого осуществлялась излучением волоконного Tm:YLF-лазера ( = 1.908 мкм). Энергетические характеристики Ho:YAG-лазера: максимальная средняя мощность излучения в импульсном режиме - 15 Вт, частота следования импульсов - 10 кГц, длительность импульсов по полувысоте - 25 нс. Резонатор параметрического генератора образован зеркалом с пропусканием ~ 99 % на длине волны излучения накачки и отражением ~ 99 % на длине волны генерируемого излучения и зеркалом, которое имеет просветляющее покрытие с пропусканием ~ 99 % на длине волны накачки и светоделительное покрытие с 50 %-м отражением на длине волны генерации, что позволяет реализовать однопроходную накачку. В резонатор помещался монокристалл ZnGeP2, имеющий размеры 5620 мм, вырезанный под углом фазового синхронизма 54.5 к оптической оси и с нанесенными на рабочие торцы просветляющими покрытиями на длине волны ~ 2.096 мкм и в полосе ~ 3-4.8 мкм. В ходе экспериментальных исследований были проведены измерения средней мощности излучения накачки Pн с длиной волны 2.096 мкм, средней мощности излучения накачки Pвых, вышедшей из резонатора ПГ (не поглощённой в кристалле ZnGeP2) и суммарной мощности Pсум излучения на выходе из резонатора ПГ, что позволило определить среднюю мощность параметрически генерируемого РПГ излучения (PПГ = Pсум - Pвых) в диапазоне  ~ 3-4.8 мкм. Основные экспериментальные результаты представлены на рис. 1. На основе полученных данных были рассчитаны КПД генерации параметрической волны от полной и поглощенной мощностей накачки (рис. 2). Максимальное значение средней мощности излучения ПГ, достигнутое в эксперименте, составило ~ 1.53 Вт, а КПД ~ 27.8 % при средней мощности излучения накачки ~ 5.5 Вт и плотности энергии накачки ~ 0.5 Дж/см2. КПД по поглощенной мощности составлял ~ 56.5 %. Измерения проводились при диаметре пучка накачки 380 мкм на уровне 1/e2 на входной апертуре образца. Рис. 1. Зависимости от мощности накачки: кр. 1 - суммарной мощности выходящего из резонатора излучения; кр. 2 - мощности вышедшего из резонатора излучения накачки; кр. 3 - мощности вышедшего из резонатора параметрически генерируемого излучения ( ~ 3.5-4.8 мкм) Рис. 2. Зависимость эффективности параметрического генератора от средней мощности излучения накачки: кр. 1 - КПД параметрического генератора; кр. 2 - КПД по поглощенной мощности излучения накачки в кристалле; кр. 3 - КПД генерации на тандеме из двух кристаллов, собранных по схеме с компенсацией сноса В [6] приведена зависимость мощности излучения параметрического генератора, собранного по схеме с компенсацией сноса излучения, состоящей из двух элементов ZnGeP2 длиной 14 мм каждый, от мощности излучения накачки при диаметре пучка накачки по уровню 1/е2 ~ 400 мкм, что позволило построить зависимость КПД генерации от плотности энергии накачки (рис. 2, кривая 3). Сравнение наших зависимостей КПД ПГ с данными [6] показывает, что предпочтительнее использовать кристаллы с длиной ≤ 18 мм, а накачку производить более мощным излучением, сохраняя постоянной плотность энергии накачки за счет увеличения диаметра пучка излучения лазера накачки. Зависимости КПД ПГ по поглощённой мощности (результаты данной работы) и КПД генерации на тандеме из двух элементов длиной 14 мм от плотности энергии [6] совпали с точностью до погрешности измерений. Это указывает на то, что наиболее эффективная генерация реализуется в схеме генератора, состоящего из двух элементов, расположенных с учетом компенсации сноса излучения, что позволяет изготавливать параметрические генераторы среднего ИК-диапазона с эффективностью преобразования ~ 50 % при накачке излучением с  ~ 2.1 мкм. Максимальное значение средней мощности излучения ПГ, достигнутое в эксперименте, составило ~ 1.53 Вт и КПД ~ 27.8 % при средней мощности излучения накачки ~ 5.5 Вт и плотности энергии накачки ~ 0.5 Дж/см2 Ho:YAG-лазера. КПД по поглощенной мощности составил ~ 56.5 % при длительности импульса накачки ~ 25 нс.

Скачать электронную версию публикации