Введение к работе
Актуальность темы
Современные твердотельные лазеры и устройства на их основе применяются в оптической связи и навигационных системах, лазерной медицине и биотехнологиях, металлургической промышленности и военной технике, и других отраслях науки и техники.
К особенностям современной техники относятся высокая надежность и миниатюрность исполнения технических устройств. Проблему уменьшения габаритов лазерных устройств и снижения их энергопотребления можно решить путем использования миниатюрных источников излучения на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой, так как ламповая накачка не даёт должного КПД, а сами полупроводниковые лазеры не обеспечивают нужного качества излучения.
Наиболее интенсивно в настоящее время исследуются кристаллы ванадатов иттрия и гадолиния, применяемые в качестве активных сред твердотельных лазеров с диодной накачкой.
Ванадаты иттрия и гадолиния имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно применяемым иттрий-алюминиевым гранатом (ИАГ):
большое значение сечения поглощения ванадатов иттрия и гадолиния, которое в 9 раз больше, чем у ИАГ;
значение сечения индуцированного перехода ванадата иттрия в 5 раз превышает значение для ИАГ, а ванадата гадолиния почти в 3 раза превышает значение для ИАГ;
теплопроводность ванадатов иттрия и гадолиния сравнима с теплопроводностью ИАГ.
Кроме кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, легированных ионами Nd3+, в качестве активных сред могут применяться кристаллы смешанных ванадатов редкоземельных элементов, такие как: YxGd1-xVO4, YxLu1-xVO4, YxYb1-xVO4, YxSc1-xVO4.
Цель и задачи работы
Применение кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных металлов в качестве активных элементов в лазерах с полупроводниковой накачкой накладывает определенные требования на их качество, так как оно в значительной степени влияет на их генерационные параметры.
В настоящее время в литературе практически нет данных по исследованию качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов РЗЭ рентгеновскими методами и отсутствуют сведения о связи структурного несовершенства активных элементов из ванадатов РЗЭ с их генерационными характеристиками.
Поэтому исследование качества кристаллических активных элементов из ванадатов РЗЭ и влияние структурного несовершенства кристаллов на генерационные параметры лазеров с полупроводниковой накачкой представляет научный и практический интерес. Решению этих проблем посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью данной работы является:
-
исследование качества монокристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов рентгеновскими методами;
-
изучение влияние структурного несовершенства активных элементов на генерационные характеристики; разработка методики прогнозирования генерационных параметров кристаллов на основе исследования их структурного несовершенства;
-
исследование влияния кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ (YVO4:Nd3+, GdVO4:Nd3+, YxGd1-xVO4:Nd3+, YxSc1-xVO4:Nd3+) на эффективность генерации.
Научная новизна полученных результатов
- Экспериментально установлена взаимосвязь между структурным несовершенством кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, и смешанных ванадатов иттрия-гадолиния и их генерационными характеристиками. Впервые получена зависимость эффективности генерации исследованных кристаллов от их структурного несовершенства.
- Исследовано влияние кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ на эффективность генерации. Наблюдается взаимосвязь между ретикулярной плотностью кристаллографических плоскостей и эффективностью генерации по соответствующим направлениям.
- Впервые исследованы структурное несовершенство кристаллов YxSc1-xVO4 рентгеновскими методами, получены их генерационные характеристики.
Практическая значимость работы
- Проведенные исследования генерационных характеристик активных элементов из YVO4:Nd3+ вдоль кристаллографических направлений [100], [110] и [001] позволили установить, что наиболее привлекательным с точки зрения эффективности генерации являются кристаллографические направления [100] и [110].
- Рентгеновские исследования структурного несовершенства кристаллов YVO4:Nd3+, начиная с выращенной були и заканчивая активным элементом, позволили установить критерий отбора заготовок из кристаллов для изготовления активных элементов. Таким критерием может быть кривая качания кристалла, полученная с помощью рентгеновского дифрактометра. По полуширине кривой качания и ее виду можно определить степень структурного несовершенства кристалла.
- Сравнение генерационных характеристик активных элементов из кристалла YVO4:Nd3+ со степенью их структурного несовершенства (по величине полуширины кривой качания, полученной в рентгеновских исследованиях активных элементов) позволило установить определенную зависимость между этими параметрами. Эта зависимость дает возможность прогнозировать генерационные характеристики кристаллов по рентгеновским исследованиям их качества без изготовления активных элементов и проведения экспериментов по лазерной генерации, что намного упрощает и удешевляет процесс получения качественных активных элементов из кристаллов YVO4:Nd3+. Несмотря на то, что метод исследования структурного несовершенства кристаллов с помощью рентгеновского дифрактометра известен достаточно давно, сравнительные исследования по связи генерационных характеристик со структурным совершенством для кристаллов YVO4:Nd3+ (а также других активных кристаллов) не проводились. Такая зависимость получена впервые.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Проведение исследований и отработка метода контроля качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов с помощью рентгеновского дифрактометра.
2. Результаты исследований эффективности генерации лазерного излучения в активных элементах из ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов в зависимости от кристаллографической ориентации активных элементов и направления поляризации излучения.
3. Результаты исследований влияния качества кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов на эффективность генерации лазерного излучения.
Надежность и достоверность
Достоверность результатов основана на статистической значимости большого числа исследований и многократной повторяемости результатов. В работе было исследовано более 50 кристаллов и получено свыше 500 кривых качания. Исследования влияния качества кристаллов на эффективность генерации лазерного излучения проведено более чем на 100 образцах с различной кристаллографической ориентацией.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач исследований, самостоятельно проводил эксперименты по исследованию структурного несовершенства кристаллов ванадатов РЗЭ, и по исследованию лазерных параметров активных элементов из этих кристаллов, проводил теоретические расчеты и анализ экспериментальных результатов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на: XLVII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва – Долгопрудный, 26 – 27 ноября 2004 г.), 3-й Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, 20 – 26 ноября 2006 г.), 8-й Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 5 – 8 октября 2009 г.), The 16 international conference on crystal growth (ICCG-16) August 8 – 13, 2010, Beijing, China, 15-й Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 25 – 29 июня 2012 г.)
Публикации по теме диссертации
По результатам диссертационной работы опубликовано 9 работ (4 статьи в научных журналах из списка ВАК и 5 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций)
Структура и объем работы
