Спектроскопия и вынужденное излучение новых активных сред для твердотельных перестраиваемых лазеров ультрафиолетового диапазона спектра Семашко, Вадим Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Особое место среди лазерных сред анимают диэлектрические активированные кристаллы, имеющие вкордные, по сравнению с другими лазерными материалами, эк-плуатационные характеристики. Однако область спектра, в эторой работает абсолютное большинство твердотельных лазе-эв, ограничена длинами волн 0.4-4.0 мкм, а ультрафиолетовый /Ф) и средний ИК диапазоны остаются практически неосвоенны-л. Получение когерентного излучения в этих областях спек-за осуществляется с помощью сложной и дорогостоящей техни-1 нелинейного преобразования частоты излучения существую-IX лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов.

Особый научный Сс точки зрения реализации новых кана-)в лазерной генерации и изучения сопутствующих интенсивной [-накачке явлений) и практический (для прикенений в различ-jx областях науки и техники: фотохимии, спектроскопии, био-)гии, медицине и т.п.) интерес представляет проблема созда-ія перестраивадмых по частоте ультрафиолетовых лазерных ис-)чников. Одним из перспективных способов получения перес-)аиваемого УФ-излучения является осуществление лазерной ге-!рации на разрешенных межконфигурационных переходах ионов інтаноидов в широкозонных диэлектрических кристаллах. Одна-I подавляющее большинство попыток реализовать эти каналы 1зерной генерации привели к отрицательным результатам и до 1лучения представляемых в настоящей диссертации результа-iB было известно только три таких лазерных материала: крис-шлы LlYF^Ce^"", LaF3'-Се^-" и ЬаРз'.Ш^. Причиной низкого оцента успеха поисковых исследований оказались различные (разитные явления (поглощение из возбужденных состояний, тохимические превращения в матрице-основе и т:п.) возни-ющие при высокоинтенсивной УФ-накачке и затрудняющие полу-ние вынужденного излучения.

Целью диссертационной работы являлся поиск новых активных сред для твердотельных перестраивамых лазеров ультрафиолетового диапазона спектра и их исследование методами лазерной спектроскопии.

Научная новизна.

В работе впервые исследованы спектрально-кинетические характеристики кристаллов LlLuF4:Ce^y+ CLLF:CeD. Показано, что кристалл LLF:Ce по сравнению с кристаллом YLF:Ce фотохи-мически более стабилен по отношению к излучению накачки не длине волны 248 нм.

Впервые получено вынужденное излучение на межконфигурационных переходах иона Се^ в кристалле LLF. Показано, чтс лазер, созданный на этом кристалле, обладает лучшими эксплуатационными характеристиками среди сущвствующих лазеро! данного типа, пригодных для накачки излучением зксимерноп KrF-лазера.

Впервые исследованы спектрально-кинетические характеристики кристаллов кольквирита, LlCaAlFe, активированных ио наш QeP+ CLlCAF: СеD. Показано, что активация этих кристал лов ионами Се^у+ приводит к образованию до трех типов примес ных центрюв.

Предложен и реализован новый метод анализа сложны спектров люминесценции многоцентровых систем и с его по мощью определен вид индивидуальных спектров люминесценци каждого из трех типов цериевых центров в кристаллах LlCAF.

Получена перестраиваемая УФ-генерация на кристалд LlCAF:Се при его накачке излучением четвертой гармоники м зера на YAG:Nd и, таким образом, впервые создан цельнотве; дотельный (твердотельный источник накачки и твердотельнс активная среда) перестраиваемый лазер УЧ^диапазона спектрг Определен его диапазон перестройки и показано, что дальне! шее улучшение его характеристик возможно за счет создан! условий выращивания кристаллов LlCAFrCe, благоприятствуют

лучшению их оптического качества и образованию в них преи-ущественно одного типа активаторного центра.

Практическая ценность

Созданы два новых перестраиваемых твердотельных лазера Ф-диапазона спектра, превоскодящих по параметрам существую-ие лазеры данного типа. Один из них - лазер на LlCAF:Ce -вляется первым цельнотвердотельным перестраиваемкм УФ-лаэе-^ эм и не имеет аналогов в мировой практике. Необходимо отменить также, что лазер на кристалле LlCAF:Ce, в отличие от азеров на YLF:Ce и LLFrCe, накачиваемых эксимерными лазера-л, является безопасным в экологическом отношении и, позто-/, имеет более широкий диапазон возможных применений.

На защиту выносятся:

1. Результаты сравнительных исследований спек-эально-кинетических характеристик кристаллов YLF и LLF, актированных ионами Се-⁵*, и результаты исследования их фото-імической устойчивости по отношению к УФ-излучению накачки.

2. Результаты сравнительных исследований кристаллов Я⁷: Се и LLFrCe в режиме лазерной генерации и вывод о том, го благодаря лучшей фотохимической устойчивости и из-за щое более высокого квантового выхода люминесценции ионов i^J"*" в кристалле LLF по сравнению с YLF, лазер на основе JrCe более эффективен и имеет лучшие эксплуатационные ха-іктеристикиг более низкий порог генерации, вдвое более вы-ікиЙ КПД и позволяет без снижения эффективности работать в жиме с частотой повторения импульсов излучения до 5 Гц.

3. Результаты исследований примесных цериевых центров в металлах L1CAF и новый метод разделения сложных спектров гминесценции кристаллов, имеющих несколько типов излучаю-X центров, на индивидуальные спектры.

4. Результаты исследований усилительных характеристик
исталла LiCAFrCe и его фотохимической устойчивости по от-
шению к излучению возбуждения на длине волны 266 нм.

5. Результаты исследований кристалла LiCAF:Ce в режиме лазерной генерации, анализ причин отличий реально полученного и расчетного КПД преобразования излучения накачки в УФ-излучение лазера на LlCAF:Ce и вывод о том, что дальнейшее повышение энергетических характеристик этого лазера возможно за счет снижения пассивных потерь и потерь инверсо!? населенности на усиление радиационного шума, а также изменения условий выращивания этих кристаллов с целью получени$ образцов, содержащих преимущественно один тип активаторногс центра.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующиХ конференциях: OSA Advanced Solld-Statt Lasers CSanta Fe, NM, USA, Feb. 1992), 18-th Internationa, Quantum Electronics Conference (Vienna, Austria, June 1992) International Conference on Laser Advanced Material: Processing CNagaoka, Japan, June 1992); 4-th Internationa Conference on Laser Applications in Life Science CJyvaskyla, Finland, Sept. 1992); CSA Advanced Solld-Stat Lasers (New Orleans, LA, USA, Feb. 1993); №еждународная кон ференция Оптика Лазеров '93 (С.-Петербург, Россия, ишь 199 г); International Conference on Luminescence UCL'93 (Storrs, CT. USA, August 1993); Interdisciplinary Lase Science Conference (ILS-IX) (Toronto, Ontario, Canads October 1993).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено 16 научных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе ния, четырех глав, заключения и списка литературы. Полн! объем работы составляет 189 страниц, включая 4 таблицы, -рисунков и список литературы из 103 наименований.