Highly efficient 2.3  µm thulium lasers based on a high-phonon-energy crystal: evidence of vibronic-assisted emissions

Abstract

We report on highly efficient and power-scalable laser operation in a thulium-doped high-phonon-energy crystal [monoclinic double tungstate, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ] on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> transition giving rise to the short-wave infrared emission at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>∼</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2.3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mtext>µ</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> . A 3 at. % Tm-doped crystal generated a maximum continuous-wave output power of 1.12 W at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>∼</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2.22</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> and 2.29 µm with a record-high slope efficiency of 69.2% (versus the absorbed pump power), a slightly multimode beam ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msubsup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>y</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2.2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> and 2.6), and a linear laser polarization. The <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>∼</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2.3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mtext>µ</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> laser outperformed the one operating on the conventional <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> transition (at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>∼</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>1.95</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mtext>µ</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ). The effect of the Tm concentration on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>∼</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2.3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mtext>µ</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> laser performance indicates a gradually increasing pump quantum efficiency for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> upper laser level with the Tm doping. For the 3 at. % Tm-doped crystal, it reached <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>1.8</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>±</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>0.1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> (almost two-for-one pump process), which is attributed to efficient energy-transfer upconversion. We discuss the physical nature of the laser emissions occurring at intermediate wavelengths between the electronic <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> transitions and highlight the role of electron-phonon coupling (vibronic processes) in the appearance of such laser lines. This allowed us to better understand the near- and mid-infrared emission from thulium ions, which can be used in broadly tunable and fs mode-locked 2–2.3 µm lasers.

Topics & Concepts