Development of an eye-safe solid-state tunable laser transmitter around 1.45 my m based on Cr 4+:YAG crystal for lidar applications

Abstract

A gain switched tunable Cr4+:YAG laser was developed using a Q-switched flashlamp?pumped Nd:YAG pump laser at 10 Hz. A vacuum spatial filter (VSF) was designed in order to filter the ?hot spots? of the pump beam profile. As a result of applying the VSF, a nearly Gaussian-shaped beam profile was achieved which enabled safe pumping of the Cr4+:YAG crystal with pulse energies in excess of 100 mJ. An extensive experimental optimization of the efficiency of the wavelength converter was performed. A maximum output energy of ~7 mJ at 1430?1450 nm, corresponding to ~7% conversion efficiency (with regard to absorbed pump energy), and a pulse duration of 30?35 ns were obtained with a 25-cm-long stable resonator. Tunability in the range 1350?1500 nm and spectral linewidth of ~200G Hz were demonstrated using a 3-plate birefringent filter. The laser was multimode with a flat-top profile and sufficiently good M2~4. The performance and size of the laser are acceptable for use in a laboratory based non-scanning lidar system if a narrow-band birefringent filter is installed. In order to employ a scanning mobile lidar, high pulse frequency (>100 Hz) of the pump laser for the Cr4+:YAG laser is required. The tunability permits the improvement of the laser transmitter for water-vapor DIAL measurements at on-line wavelengths of approximately 1459 nm or 1484 nm if injection-seeding is applied.

Ein gain-geschalteter, abstimmbarer Cr4+:YAG Wellenlängenkonverter wurde entwickelt. Er wurde mit einem gütegeschalteten blitzlampengepumpten Nd:YAG-Laser mit einer Repetitionsrate von 10 Hz und einer Pulsdauer von 6?8 ns gepumpt. Dieses System ist ein erster Schritt zur Entwicklung eines augensicheren Wasserdampf-DIAL Systems bei 1459 nm und 1484 nm. Ein Vakuum-Raumfilter (VRF) wurde aufgebaut, um die Hot Spots im Pumpstrahlprofil herauszufiltern. Mit dem VRF wurde ein nahezu Gaußsches Pumprofil erzielt. Das ermöglichte das Pumpen von Cr4+:YAG mit Pulsenergien von mehr als 100 mJ, ohne den Kristall zu beschädigen. Eine experimentelle Optimierung der Effizienz des Wellenlängenkonverters wurde durchgeführt. Eine maximale Ausgangsenergie von ~7mJ bei 1430?1450 nm, was ~7% Konversionseffizienz (bezüglich der absorbierten Pumpenergie) entspricht, und eine Pulslänge von 30?35 ns wurden mit einem 25 cm langen Resonator erreicht. Laserabstimmbarkeit im Wellenlängenbereich von 1350?1500 nm und eine spektrale Linienbreite von ~200 GHz wurden mit einem 3-Platten doppelbrechenden Filter demonstriert. Der Cr4+:YAG Laser besitzt ein Multimoden-Flat top-Strahlprofil und einen guten M2 Wert von ungefähr 4. Die Effizienz und die Größe des Lasers sind akzeptabel zur Anwendung in einem nicht abtastenden Labor-Lidarsystem, falls ein schmalbandiger doppelbrechender Filter benutzt wird. Um Cr4+:YAG als Laser für ein abtastendes mobiles Lidar zu verwenden, ist ein kompakter Pumplaser mit hoher Repetitionsrate (>100 Hz) erforderlich. In Verbindung mit diesem Pumplaser und der Anwendung der Injection-Seeding-Technik hat der Laser das Potential als Transmitter für ein augensicheren Wasserdampf-DIAL-System eingesetzt zu werden.