Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основные способы генерации лазерного излучения в области длин волн 3 мкм 13
1.1 Лазеры на кристаллах, активированных ионами хрома Сг , железа Fe +, гольмия Но 13
1.2 Параметрическая генерация света в диапазоне 3 мкм 23
1.3 Лазеры на кристаллах, активированных ионами эрбия Ег 25
Глава 2 Математические модели процессов многочастотной генерации EnYLF и EnYAG лазеров с диодной накачкой 35
2.1 Компьютерная модель многочастотной генерации EnYLF и EnYAG лазеров 35
2.2 Аналитическая модель многочастотной генерации лазеров на кристаллах EnYLF и EnYAG с селективной накачкой на энергетический уровень 1ц/2 45
2.3 Управление спектральными параметрами генерации лазеров на эрбиевых кристаллах 69
2.4 Эффективность трехмикронной генерации EnYLF и EnYAG лазеров при селективной накачке на энергетические уровни 41ц/2 и 41п/2 87
Глава 3 Результаты экспериментального исследования многочастотной генерации малогабаритных EnYLF и EnYAG лазеров 105
3.1 Лабораторный стенд для исследования параметров генерации эрбиевых лазеров 105
3.2 Спектральные и энергетические параметры генерации EnYLF и EnYAG лазеров в режиме одиночных импульсов 107
3.3 Спектральные и энергетические параметры генерации EnYLF лазера в импульсно-периодическом режиме 111
Глава 4 Особенности генерации лазера на кристалле EnYLF в режиме модуляции добротности 115
4.1 Модель процесса генерации EnYLF лазера с селективной накачкой в режиме модуляции добротности резонатора 115
4.2 Экспериментальное исследование генерации EnYLF лазера в режиме пассивной модуляции добротности затвором на кристалле Fe2+:ZnSe 129
Заключение 134
Список литературы
- Параметрическая генерация света в диапазоне 3 мкм
- Аналитическая модель многочастотной генерации лазеров на кристаллах EnYLF и EnYAG с селективной накачкой на энергетический уровень 1ц/2
- Спектральные и энергетические параметры генерации EnYLF и EnYAG лазеров в режиме одиночных импульсов
- Экспериментальное исследование генерации EnYLF лазера в режиме пассивной модуляции добротности затвором на кристалле Fe2+:ZnSe
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время лазерные приборы и системы нашли широкое применение в промышленном производстве, медицине, информационных технологиях и других областях деятельности человека. Одним из перспективных направлений дальнейшего развития лазерной техники являются технологии, основанные на использовании лазерного излучения с длиной волны в районе трех микрометров. Основной особенностью данной области спектра является то, что в районе длины волны 3 мкм находится один из основных максимумов поглощения веществ,
содержащих гидроксильные группы ОН. Высокое значение показателя поглощения подобных сред в спектральной области 3 мкм может быть использовано при решешга задач дистанционного контроля, воздействия на биологические ткани, спектроскопии.
Сравнительный анализ известных источников лазерного излучения с длиной волны генерации в районе 3-х мкм показал, что одним из наиболее перспективных типов лазеров данного диапазона являются лазеры на кристаллах, активированных ионами эрбия Ег3+. Несмотря на то, что лазерная генерация в данных средах получена довольно давно (1975 г.), эрбиевые лазеры имеют значительный потенциал развития связанный с использованием селективной накачки лазерными диодами. Использование диодной накачки позволяет улучшить технико-эксплуатационные характеристики лазеров данного типа, в частности увеличить срок службы лазера, уменьшить его габариты, энергопотребление. В частности, становиться возможным создание систем с излучателем, расположенным непосредственно в рабочем наконечнике (handpeace), что снижает потери на доставку излучения до объекта и тем самым существенно увеличивает эффективность системы.
Следует отметить, что в большинстве задач, решаемых с использованием лазеров трехмикрометрового диапазона, требуется лазерное излучение с высоким уровнем импульсной мощности, а таже стабильными спектральными и временными параметрами. Это определяет высокую потребность в способах оптимизации и управления характеристиками эрбиезых лазеров с диодной накачкой.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель диссертационной работы - разработка способов оптимизации и управления характеристиками генерации малогабаритных EnYLF и EnYAG лазеров среднего ИК диапазона для медицинских применений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математические модели, описывающие динамику процессов генерации на переходе между энергетическими уровнями 41ц/2-4113/2эрбиевых лазеров с импульсно-периодической диодной накачкой.
Провести экспериментальные исследования спектральных и энергетических параметров генерации EnYLF и EnYAG лазеров с диодной накачкой, в т.ч. и для апробации и уточнения параметров разработанных моделей.
Разработать способы оптимизации и управления генерационными характеристиками Er:YLF и EnYAG лазеров для увеличения эффективности и импульсной мощности их генерации.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Разработаны математические модели многочастотной генерации EnYLF и EnYAG лазеров с диодной накачкой, учитывающие переходы между основными нижними энергетическими уровнями иона Ег3+, в т.ч. процессы нелинейной релаксации (апконверсия, самотушение люминесценции).
Исследовано влияние режимов импульсно-периодической диодной накачки на спектральные и энергетические параметры генерации EnYLF и EnYAG лазеров.
Показана и обоснована возможность управления спектром генерации эрбиевых лазеров при селективной накачке на энергетический уровень 41И/2, за счет изменения мощности, длительности и частоты следования импульсов накачки при импульсно-периодическом режиме работы лазера.
Установлено, что в режиме свободной генерации пиковые мощности импульсов генерации EnYLF лазера с диодной накачкой на различных длинах волн перехода приблизительно одинаковы, в то время как в режиме модуляции добротности Fe2+:ZnSe затвором мощность пичков генерации на длине волны 2.66 мкм существенно меньше мощности пичков излучения генерации на длинах волн 2.71 и 2.81 мкм.
Достигнута пиковая мощность генерации излучения EnYLF лазера с диодной накачкой порядка 100 кВт на длине волны 2.81 мкм в
режиме модуляции добротности резонатора пассивным затвором на основе кристалла Fe2+:ZnSe.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Расчетные модели, описывающие многочастотную генерацию EnYLF и Er:YAG лазеров с селективной накачкой на энергетические урозни 41ц/2 и їй/2, с помощью которых можно выполнить исследование и оптимизацию выходных спектрально-энергетических характеристик лазеров как в режиме свободной генерации, так и в режиме пассивной модуляции добротности.
Управление длинами волн генерации Er:YLF и EnYAG лазеров, соответствующих линиям переходов между мультиплетами 4111/2 и 4Іізд, в импульсно-периодическом режиме может осуществляться за счет изменения энергетических и временных параметров импульсов накачки без установки дополнительных спектрально селективных элементов в резонатор лазера.
Выбор параметров частотно-импульсного режима селективной накачки эрбиевых лазеров, обеспечивающих заданный спектральный состав излучения, может быть выполнен на основе использования упрощенной трехуровневой аналитической модели.
Смена длины волны генерации в течение импульса диодной накачки Er:YLF лазера, работающего в режиме пассивной модуляции добротности резонатора затвором на кристалле Fe2+:ZnSe, происходит в той же последовательности, что и в режиме свободной генерации. При этом в отличие от режима свободной генерации, в режиме модуляции добротности мощность пичков генерации на длине волны 2.66 мкм существенно меньше мощности пичков генерации на длине волны 2.81 мкм.
Реализация результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы были использованы в СПбГУ ИТМО, ЗАО «УНП Лазерный центр ИТМО», ООО «Технологии. Внедрение. Наука.» при реализации проектов «Динамика генерации кристаллических эрбиевых лазеров при наличии кросс-релаксационных процессов передачи энергии возбуждения» (грант №РШ1.2.1.2.4867, 2006-2008 гг.) и «Исследование и управление параметрами генерации твердотельных эрбиевых микролазеров дня оптимизации процессов взаимодействия оптического излучения с биотканью» (грант №РНП. 2.12/4302, 2008-2010 гг.) федеральной программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проекта «Исследование процессов многочастотной генерации малогабаритных твердотельных лазеров
среднего ИК-диапазона с диодной накачкой» (2008-2010 гг.) тематического плана научно-исследовательских работ СПбГУ ИТМО, проектов ООО «Технологии. Внедрение. Наука»: «Разработка методов увеличения импульсной мощности эрбиевого микролазера трехмикронного диапазона, работающего в импульсно-периодическом режиме со средней мощностью выше 1 Вт» и «Разработка методов пассивной модуляции добротности малогабаритных эрбиевых лазеров с диодной накачкой» в рамках федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К.)» и создании малогабаритного Er:YLF лазера с диодной накачкой в ЗАО «УНП Лазерный центр ИТМО».
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Лазерной техники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики при подготовке студентов по направлению 200200 «Оптотехника», специальности 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии», при подготовке бакалавров по направлению 140400 «Техническая физика».
Апробация работы и публикации
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: Международные конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2008, 2010 г.), Fundamentals of laser assisted micro-& nanotecnologies (Санкт-Петербург, 2010 г.), Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, '2009, 2010 г.), а также на семинарах кафедры ЛТиБМО СПбГУ ИТМО, где были положительно восприняты научной общественностью.
Доклад соискателя «Модель многочастотной генерации эрбиевых кристаллов в диапазоне 3 мкм при селективной накачке на нижний лазерный уровень» был отмечен дипломом «за лучший доклад на секции» Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (14 - 17 апреля 2009 г.).
Результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них 4 в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (список ВАК).
Личный вклад автора
Общая постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с научным руководителем данной работы. Лично соискателем выполнены разработка компьютерных моделей EnYLF и EnYAG лазеров, проведен анализ результатов исследования с применением разработанных моделей. Исследования и анализ экспериментальных характеристик лазеров, их сравнение с результатами теоретического моделирования выполнены совместно с сотрудниками кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики М.В. Иночкиным, В.В. Назаровым, Л.В. Хлопониным при непосредственном участии соискателя.
Структура и объем работы
Параметрическая генерация света в диапазоне 3 мкм
Когерентное излучение с длиной волны в районе 3 мкм может быть получено не только непосредственно в процессе лазерной генерации, но и путем преобразования излучения спектрального другого диапазона при помощи эффектов нелинейной оптики.
Основным нелинейнооптическим эффектом, используемым для получения когерентного излучения 3 мкм диапазона является эффект параметрической генерации света (ПГС) [128-133]. Впервые ПГС в диапазоне 3 мкм реализована в работах [128] и [133].
В известных разработках реализована ПГС при накачке излучением: неодимовых лазеров (длина волны в районе 1 мкм) [128, 131], диодных лазеров (длина волны 0.806 мкм) [129], гольмиевых лазеров (длина волны в, районе 2 мкм) [133], иттербиевых лазеров [132]. Следует отметить, что в качестве основной области применения своих разработок авторы [128-133] указывают дистанционное зондирование (лидар системы), по этой причине основное внимание в этих работах уделяется возможностям плавной перестройки длины волны излучения при ПГС. В связи с этим двухрезонаторные схемы ПГС использовались только в первых работах [128], т.к. они имеют наименьший порог ПГС. Однако двухрезонаторные схемы ПГС обладают существенным недостатком - перестройка длины волны осуществляется не непрерывно. Широко известно, что для двухрезонаторной ПГС существуют довольно узкие области длин волн (кластеры), в которых имеет место интерференционный максимум оптического резонатора для "сигнальной" и "холостой" длин волн. В этом случае перестройка длины волны ПГС осуществляется скачкообразно.
С целью преодоления данного недостатка в последних работах используются схемы однорезонаторного ПГС.
Наилучшие из известных результатов получены в работах [122, 123]. Получены КПД преобразования ПГС в 21% [130] и 21.2% [131]. В качестве нелинейной среды, в которой осуществляется ПГС, в работах [130, 131] выступал периодический ниобат лития (periodically poled LiNb03). В первой работе в качестве источника накачки выступал Nd:YLF лазер с длиной волны 1.047 мкм, длительностью импульса 22 не, частотой повторения импульсов 1 кГц и средней мощностью 1.5 Вт. В результате ПГС была получена средняя мощность излучения 340 мВт на длине волны 3.4 мкм.
Авторы работы [131] в качестве источника накачки использовался Nd:YAG лазер с длиной волны 1.064 мкм и мощностью 13 Вт, чье излучение модулировалось механическим прерывателем. Получена средняя мощность ПГС 2.5 Вт на длине волны 3.25 мкм. Также продемонстрирована возможность перестройки длины волны ПГС в диапазоне 3.11-3.95 мкм. Использование явления ПГС позволяет получать излучение с длиной волны, существенно большей чем 3 мкм. Так, в работе [132] получена средняя мощность излучения с длиной волны 4.1 мкм 130 мВт. При этом в качестве нелинейной среды использовался периодический ниобат лития, а источника накачки - иттербиевый волоконный лазер. Общий диапазон перестройки длины волны излучения составил 3.118 мкм 4.153 мкм. В работе [133] получена перестройка и диапазоне 2.75 - 6 мкм. В качестве нелинейной среды использовался кристалл AgGaSe2, а источника накачки — Cr:Tm:Ho:YAG лазер с длиной волны 2.09 мкм, длительностью импульса 50 не и энергией импульса 60 мДж.
Таким образом, основным преимуществом использования явления ПГС для получения излучения в спектральном диапазоне 3 мкм является возможность плавной перестройки длины волны в широких пределах. Эффективность преобразования находится на уровне эффективности лазеров на гольмиевых кристаллах и уступает эффективности лазеров на кристаллах, активированных ионами хрома и эрбия.
Наиболее распространенным классом активных сред, используемых для получения генерации в области 3 мкм, являются кристаллы, активированные ионами эрбия Ег . Впервые генерация в данных средах была получена в кристалле EnYAG на длине волны 2.94 мкм [28]. В настоящее время также реализована генерация в кристаллах EnYLF [69], EnYSGG [70], ЕпУАЮз [71], Er:CaF2 [72], Er: BaLu2F8 [73], и др. [8, 74].
Генерация эрбиевых кристаллов в области 3 мкм осуществляется на переходе между первыми двумя возбужденными состояниями иона эрбия Ег3+: 41п/2 и 4Ііз/2 (рис. 1.7). Для данного перехода время жизни верхнего лазерного уровня ( 1ц/2) меньше, чем время жизни нижнего лазерного уровня (4Ііз/2)- Это во-многом связано с малой разностью энергий этих энергетических уровней, обуславливающей высокую вероятность безызлучательных релаксационных процессов с энергетического уровня 41ц/2. Например, в эрбиевых стеклах уровень 41ц/2 интенсивно расселяется за счет процесса моногофононной релаксации на нижележащий энергетический уровень 1]3/2. По этой причине эрбиевые стекла непригодны для получения генерации на переходе Іц/2- 1в/2 В поле кристаллической решетки уровни 1и/2 и 1\3/2 расщепляются на 6 и 7 компонент соответственно. При этом некоторые линии, соответствующие переходам между отдельными подуровнями, перекрываются. Это делает затруднительным определение сечения перехода между отдельными подуровнями ay. По этой причине в большинстве работ используются интегральное сечение поглощения аа(Х) и вынужденного излучения ое(Х) на длине волны X. В этом случае вероятность вынужденного перехода рассчитывается как W=ae(X)N2, где N2 — населенность верхнего лазерого уровня.
Аналитическая модель многочастотной генерации лазеров на кристаллах EnYLF и EnYAG с селективной накачкой на энергетический уровень 1ц/2
К сожалению, выражения (2.17) не дают возможности получить аналитическое выражение для времени начала генерации на следующей длине волны (АД подобное (2.14). Его расчет возможен только численными методами.
Из выражения (2.15) следует, что переключение длины волны генерации происходит по достижении определенного значения усредненной населенности Ni. Интересно отметить, что нелинейная зависимость усредненных населенностей лазерных уровней от параметров накачки и времени (2.10) приводит к тому, что для достижения значения Nip (2.15) требуется различная энергия накачки в зависимости от импульсной мощности накачки и длительности импульса накачки. На рис. 2.9 приведена зависимость минимальной энергии накачки Е, необходимой для переключения длины волны генерации в течение импульса накачки с 2.66 мкм на 2.71 мкм и с 2.71 на 2.81 мкм от объемной плотности импульсной мощности излучения накачки Рр. Как видно из рис. 2.10, с увеличением параметра Рр значение пороговой энергии Е
Зависимость минимальной энергии накачки, неоходимой для переключения длины волны генерации с 2.66 на 2.71 мкм (кривая 1) или с 2.71 на 2.81 мкм (кривая 2) от импульсной мощности накачки Особенности генерации эрбиевых лазеров в импульсно-периодическом режиме Описанная в разделе 2.2 теоретическая модель может быть легко модифицирована для описания динамики генерации лазеров на эрбиевых кристаллах в импульсно-периодическом режиме. В этом случае в описанном выше разбиении на временные интервалы добавляется дополнительнный интервал — промежуток времени между импульсами накачки. Очевидно, что на данном отрезке времени отсутствует излучение генерации (S=0) и система уравнений (2.3) упрощается до системы с двумя неизвестными:
В эрбиевых кристаллах времена жизни уровней трехмикронного перехода 4Іц/2-4Ііз/2 составляют единицы-десятки миллисекунд. Соответственно уже при частотах следования импульсов десятки-сотни герц населенности этих уровней не успевают релаксировать до нулевых значений за промежуток времени между импульсами накачки. Таким образом, к моменту включения накачки населенности уровней 41ц/2 и 4Ііз/2 имеют некоторые значения N2o и Nio.
Здесь и далее не рассматривются эффекты, связанные с ростом потерь излучения в резонаторе при увеличении частоты следования импульсов или средней мощности накачки. Потери в резонаторе считаются неизменными. Рассмотрим динамику генерации в течение одного к-ого импульса накачки. Отсчет времени будем вести от его начала.
Как и ранее (раздел 2.3) на сравнительно малом промежутке времени после включения накачки и до начала генерации пренебрежем релаксационными и кросс-релаксационными слагаемыми в системе уравнений (2.19). В этом случае (2.19) упроститься до системы (2.4), а начальными условиями при поиске ее решения будут следующие: f (0) = 0 N2(0) = N20 (2.20) t = 0 где N\Q, N2o значения усредненных населенностей лазерных уровней в начале импульса накачки. Тогда для случая постоянной скорости накачки R(t)=const изменение усредненных населенностей лазерных уровней N2 и N\ можно описать уравнениями: , ,\ (2.21) Уравнениям системы (2.21) соответствует следующее изменение показателя усиления: Х8М = Ge{X)Rt + ce(\)N20 -оа(\)Мю (2.22) Из условия Y (A-,f) = 5(A,) можно получить зависимость времени задержки начала генерации от начальных населенностей лазерных уровней в виде: N N 1V10 2V20 ад ( і UX) = — - + 1 — 2S., (2.23) Очевидно, что генерация начинается на той длине волны, для которой минимально время задержки (2.23). Из формулы (2.23) легко видеть, что наличие начальной населенности верхнего лазерного уровня уменьшает время задержки начала генерации на одинаковую для всех длин волн величину N2o/R-В это же время наличие начальной населенности нижнего лазерного уровня Nio приводит к увеличению времени задержки начала генерации преимущественно в коротковолновой области перехода Іц/2- Іп/2 После начала генерации, как и в случае режима одиночных импульсов, процесс генерации описывается выражениями (2.10)-(2.14).
После окончания импульсов накачки и генерации (R=0, S=Q) усредненные населенности лазерных уровней N\ и Л релаксируют согласно выражениям (2.19). При этом величина нелинейных слагаемых в системе (2.19), соответствующих переходам по кросс-релаксационным схемам, сравнима с величиной линейных слагаемых. Таким образом, на промежутке между импульсами накачки необходимо учитывать процессы кросс-релаксации. В этом случае проблематично получить аналитическое решение системы (2.19) и проще выполнить ее численное интегрирование. Заметим, что выполнение численного интегрирования лишь на одном отрезке времени и при отсутствующих излучении накачки и генерации (R=0, S 0) происходит существенно быстрее чем при непосредственном численном решении системы (2.2) на всем рассматриваемом интервале времени. Численное решение системы уравнений (2.2) позволяет рассчитать значения усредненных населенностей уровней N\Q и АГ2о перед началом следующего импульса накачки. Итерационное использование выражений (2.10), (2.14) и (2.23) позволяет расчитать параметры генерации любого импульса в последовательности.
Спектральные и энергетические параметры генерации EnYLF и EnYAG лазеров в режиме одиночных импульсов
Полученная зависимость также может быть разбита на 3 области. В области 1 (f 0-25 Гц) времена задержки начала генерации не изменяются с увеличением частоты следования импульсов. В области 2 (f 25-65 Гц) задержка генерации на длине волны 2.698 мкм растет, а на длине волны 2.935 мкм -падает. В области 3 (f 65 Гц) генерация на длине волны 2.698 мкм прекращается, при этом наблюдается увеличение задержки генерации на длине волны 2.935 мкм. Зависимость энергии генерации Ег:УАО-лазера от частоты следования импульсов приведена на рис. 2.17. Как и в случае кристалла EnYLF происходит перераспределение энергии генерации в пользу длинноволновых спектральньїх компонент. Отметим, что в отличие от Er:YLF время задердки начала генерации на наиболее длинноволновой спектральной компоненте растет даже при уі=? 0, уг О, что вызвано малым временем жизни энергетического уровня в среде Er:YAG.
Эффект последовательной смены длины волны генерации в течение импульса накачки, а также зависимость числа спеткральных компонент генерации от частоты следования импульсов накачки могут быть использованы для целенаправленного изменения спектра генерации лазера. Для ряда медицинских задач может представлять определенный интерес реализация режимов работы лазера, переключение между которыми обеспечивает значительное изменение поглощения излучения лазера водой и биологическими тканями. Для EnYLF-лазера такими режимами могут быть режимы генерации на длинах волн 2.66 мкм и 2.81 мкм.
Предложенная теоретическая модель позволяет рассчитать области параметров накачки, при которых реализуется генерация на заданной длине волны. На рис. 2.18 приведены рассчитанные области параметров длительности Тр и частоты следования f импульсов накачки при объемной плотности мощности накачки 4 кВт/см , обеспечивающие генерацию Er:YLF лазера только на длине волны 2.66 мкм (рис. 2а) и 2.81 мкм (рис. 26) в отсутствие спектральных зависимостей показателя полных потерь излучения в резонаторе. Из рис. 2.13 видно, что генерация только на одной длине волны 2.81 мкм обеспечивается при больших значениях длительности импульса накачки Тр и/или частоты следования импульсов f. В то же время задача получения генерации только на одной длине волны 2.66 мкм требует использовать импульсы накачки малой длительности и/или низких частот следования импульсов.
Области параметров импульсов накачки, при которых в EnYLF-лазере реализуется генерация только на длине волны 2.66 мкм (слева) и 2.81 мкм (справа)
На рис. 2.19 приведены области значений плотности мощности накачки Pv и частоты следования импульсов f, при которых генерация реализуется на длинах волн 2.66 (рис. 2.19,а) и 2.81 мкм (рис. 2.19,6). Как видно из данного рисунка, при уменьшении плотности мощности излучения накачки область частот следования импульсов генерации, при которых генерация осуществляется только на длине волны 2.66 мкм увеличивается, а область, соответствующая генерации на длине волны 2.81 мкм уменьшается. Pv. кВт см 10 Р„. кВт см3 Рис. 2.19 Области параметров импульсов накачки, при которых в Ег: YLF лазере реализуется генерация только на длине волны 2.66 мкм (слева) и 2.81 мкм (справа)
На рис. 2.20 приведены области параметров накачки в трехмерных координатах: объемная плотность мощности накачки Pv, длительность импульса накачки Тр, частота следования импульсов f. Параметры накачки, при которых реализуется генерация только на длине волны 2.66 мкм находится в области, ограниченной поверхностью А и осями координат. Область параметров, при которых генерация осуществляется только на длине волны 2.81 мкм находится в полупространстве, отраниченном поверхнгостью Б и значениями координат +оо.
Области параметров накачки, при которых реализуется генерация Er:YLF лазера только на длине волны 2.66 мкм (слева) или только на длине волны 2.81 мкм (справа) Из приведенного выше теоретического обоснования и расчетных зависимостей очевидно, что спектральный состав излучения генерации эрбиевого лазера в импульсно-периодическом режиме генерации связан с средней объемной плотностью мощности накачки в активном элементе. В соответствие с основным механизмом, вызывающим переключение длины волны генерации в длинноволновую область спектра, обеспечение генерации на длине волны 2.81 мкм требует высокой средней объемно плотности мощности излучения накачки, а на 2.66 мкм — низкой. Расчеты показывают, что вследствие наличия нелинейных членов в (2.3) пороговое значение средней объемной плотности мощности накачки также зависит от параметров импульса накачки. На рис. 2.22 приведена зависимость минимальной средней объемной плотности мощности накачки Pv, при которой реализуется генерация только на одной длине волны 2.81 мкм от длительности импульса накачки Тр. Как видно из данного рисунка, использование более коротких импульсов накачки позволяет использовать для реализации генерации только на длине волны 2.81 мкм меньшую среднюю объемную плотность мощности накачки. р 800
Экспериментальное исследование генерации EnYLF лазера в режиме пассивной модуляции добротности затвором на кристалле Fe2+:ZnSe
На рис. 3.10 приведены экспериментальная и расчетная зависимости времен задержек начала генерации для длительности импульса накачки 0.5 мс. Как видно из рис. 3.10, полученная зависимость близка к теоретически ожидаемой. Основные особенности данной зависимости обсуждались в разделе 2.2.
На рис. 3.11 приведена зависимость энергии генерации Er:YLF лазера от частоты следования импульсов накачки. Рассматривая зависимости рис. 3.8 -3.11 можно предположить, что показатель потерь излучения в резонаторе слабо меняется с ростом частоты следования импульсов накачки. Это говорит о малом влиянии термооптических эффектов на конфигурацию резонатора. Т.к. резонатор имеет полуконфокальную конфигурацию можно утверждать, что термпературные градиенты в активном элементе имеют незначительную величину. мДж
В данной главе теоретически и экспериментально исследуются процессы генерации Er:YLF лазера в режиме модуляции добротности. В рамках приближения точечного одномодового лазера получены выражения для энергетичесих параметров гигантского импульса при активной и пассивной модуляции добротности. Разработана компьютерная модель, описывающая процессы генерации EnYLF лазера с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротсности затвором на кристалле Fe :ZnSe.
Модель процесса генерации Er:YLF лазера с селективной накачкой в режиме модуляции добротности резонатора Активная модуляция добротности Как было показано в предыдущих главах, динамика генерации эрбиевых лазеров может быть описана при помощи следующей системы балансных уравенний: где b(X,t)- показатель полных потерь излучения-в резонаторе, который может быть вычислен по следующей формуле: 1 л 8(X,t) = In . (4.2) Tcav( ) _ пропускание резонатора в отсутствие затвора, Rout( ) -коэффициент отражения выходного зеркала, Ts(A,,t) — пропускание затвора.
В случае активной модуляции добротности момент открывания оптического затвора известен. Это позволяет рассчитать населенности лазерных уровней в этот момент времени при помощи полученыых в разделе 2.3 выражений:
Из многочисленных экспериментальных данных известно, что формирование гигантского импульса происходит за время, существенно меньшее 1 мкс. На таких масштабах времени можно пренебречь наличием релаксационных слагаемых в (4.1), а также процессом накачки. Тогла система уравнений (4.1) может быть существенно упрощена: где Sar - площадь поперечного сечения пучка излучения генерации, Vc -скорость света в материале активного элемента, Хо( ) - показатель усиления в момент открывания затвора, дт[п(Л) - значение показателя потерь излучения генерации при открытом затворе.
Очевидно, что изменение показателей усиления на различных длинах волн до начала генерации в режиме модуляции добротности аналогично режиму свободной генерации. Тогда в случае отсутствия спектрально-селективных элементов в резонаторе лазера генерация начнется на длине волны, показатель усиления на которой имеет наибольшее значение в момент открытия затвора. Для эрбиевых кристаллов с временем жизни энергетического уровня 41] 1/2 более 1 мс, в соответствии с (2.8), генерация будет осуществляться на длине волны с наибольшим значением сечения вынужденого излучения. Для кристаллов, подобных ErrYAG, где время жизни уровня 1ц/2 не превышает 100 мкс, а также происходит эффективное заселение уровня їй/2 путем релаксации с уровня % т анализ спектра генрации может быть только численно путем численного решения системы уравнений (4.3) или (4.1).
При разработке лазеров диапазона 3 мкм зачастую требуется получить генерацию на строго определенной длине волны. Выражения (4.3)-(4.4) позволяют рассчитать величину дополнительнных потерь, необходимых для подавления генерации на нежелательных длинах волн. При использовании в качестве спектрально-селективного элемента выходного зеркала данное условие можно представить в следующем виде: %i 2 = ехр (2larR (ая (X) -oem(Xg))td) (4.8) где A,g - длина волны генерации, X - длина волны, генерацию на которой требуется подавить, U время до момента открытия затвора.
Как видно из (4.8), необходимая селективность зеркала зависит от времени задержки открытия затвора. Таким образом, при увеличении импульсной мощности генерации возрастают требования к селективным свойствам элементов резонатора лазера. На рис. 4.1 приведена зависимость отношения R0llt(2.SlMKJYt)IRout(2.66MKj\i), требуемого для подавления генерации на длине волны 2.66 мкм в Er:YLF лазере.
