Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние науки и техники полуторамикронных эрбиевых лазеров к моменту начала настоящей работы. 6
2. Постановка задач, структура диссертации. 15
1. Иттербий-эрбиевые активные материалы для различных типов лазеров с диодной накачкой. 35
1.1. Концентрированное иттербий-эроиевое лазерное стекло. 35
1.1.1. Поиск состава и его основные физико-химические свойства. 38
1.1.2. Особенности накопления и релаксации энергии инверсной населенности в концентрированных иттербий-эрбиевых стеклах. 42
1. Зависимости населенности верхнего лазерного уровня ионов эрбия от плотности энергии импульсной накачки.
2. Кинетики релаксации населенности уровня \ш В?+ при высоких плотностях возбуждения.
1.1.3. Генерационные исследования концентрированного лазерного стекла при накачке неодимовыми (Л,—1.06 мкм) лазерами. 57
1.2. Высокопрочное иггербий-эрбиевое лазерное стекло. 62
1.2.1. Поиск состава стекла. 63
1.2.2. Физико-химические свойства разрабатываемого стекла. 68
1.2.3. Спектрально — кинетические особенности высокопрочного стекла. 77
1.2.4. Лазеры на высокопрочном иттербай-эрбиевом стекле (ламповая накачка). 86
1.3. Кристаллическая активная среда для 1.5 мкм лазеров - оксиборат кальция-гадолиния GdCajOQBC^ с иттербием и эрбием. 92
1.3.1. Выращивание кристаллов 94
1.3.2. Особенности спектроскопии и переноса энергии электронного возбуждения в Yb,Er:GdCOB. 95
2. Поиск и исследование пассивных модуляторов добротности для 1.5 мкм спектральной области. 102
2.1.1. Пассивная модуляция добротности лазеров на эрбиевом стекле при помощи германиевого зеркала. 104
2. 1.2. Лазеры на эрбиевом стекле с пассивной модуляцией добротности эрбий-содержащим элементом. 105
2. 1.3. Новая эффективная просветляющаяся среда для модуляции добротности лазеров на эрбиевом стекле (Х=1.54 мкм) - кристаллы легированной кобальтом магнийалюминиевой шпинели (MgAl204:Co2+). 114
2. 1.4. Возможности использования кристаллов MgA^O^Co + для модуляции добротности лазеров на переходе 4F3/2~>4Ii3/2 ионов Nd3+. 126
2.5. Особенности выращенных различными способами кристаллов алюмомагниевои шпинели, легированной кобальтом. 129
3.1.5 мкм диодно-накачиваемые лазеры на разработанных материалах. 137
3.1. Лазеры с импульсной поперечной накачкой линейками лазерных диодов. 140
3.1.1. Генерационные испытания нового концентрированного Yb-Er стекла в лазере е импульсной поперечной накачкой двумя линейками лазерных диодов. Режим свободной генерации. 140
3.1.2. Миниатюрный лазер на концентрированном Yb-Er стекле с накачкой единственной 100 Вт диодной линейкой и с активной модуляцией добротности затвором на нарушенном полном внутреннем отражении (НПВО-затвором). 144
3.1.3. Мощный и высокоэффективный лазер на концентрированном Yb-Er стекле с накачкой тремя диодными линейками с активной модуляцией добротности затвором на нарушенном полном внутреннем отражении. 146
3.2. Микролазеры на иттербий-эрбиевых средах с непрерывной продольной диодной накачкой. 157
3.2.1. Микролазер на концентрированном стекле с продольной диодной накачкой 162
3.2.2. Модуляция добротности непрерывно-накачиваемых микролазеров на Yb-Er стеклах при помощи затворов на нарушенном полном внутреннем отражении. 163
3.2.3. Пассивная модуляция добротности диоднонакачиваемых микролазеров на Yb-Er стекле кристаллами легированной кобальтом шпинели. 170
3.2.4. Микрочип - лазер на высокопрочном иттербийэрбиевом стекле. 184
3.2.5. Лазеры на кристаллах GdCOB:Yb,Er. 190
Литература. 220
- Высокопрочное иггербий-эрбиевое лазерное стекло.
- Поиск и исследование пассивных модуляторов добротности для 1.5 мкм спектральной области.
- Особенности выращенных различными способами кристаллов алюмомагниевои шпинели, легированной кобальтом.
- Модуляция добротности непрерывно-накачиваемых микролазеров на Yb-Er стеклах при помощи затворов на нарушенном полном внутреннем отражении.
Введение к работе
1.1.1. Поиск состава и его основные физико-химические
свойства. 38
1.1.2. Особенности накопления и релаксации энергии
инверсной населенности в концентрированных
иттербий-эрбиевых стеклах. 42
Зависимости населенности верхнего лазерного уровня ионов эрбия от плотности энергии импульсной накачки.
Кинетики релаксации населенности уровня \ш В?+ при высоких плотностях возбуждения.
1.1.3. Генерационные исследования концентрированного
лазерного стекла при накачке неодимовыми (Л,—1.06 мкм)
лазерами. 57
Высокопрочное иггербий-эрбиевое лазерное стекло.
Основной недостаток стекол как лазерных сред по сравнению с кристаллами - низкая теплопроводность и, как следствие, легкость теплового разрушения. Тем не менее, отсутствие до самого недавнего времени сколько-нибудь эффективных кристаллических иттербий-лазерных сред, излучающих в области 1.5 мкм, заставило исследователей заниматься поиском составов эрбиевых лазерных стекол, возможно более стойких к мощной накачке. В качестве одной из наиболее успешных работ такого рода следует отметить создание исследователями компании Kigre inc. (США) лазерного стекла марки QX-Er [26], [87], [88]. При ламповой накачке упрочненного ионным обменом активного элемента (длиной около 15 см) из этого стекла была достигнута средняя мощность генерации до 20 Вт при КПД, приближающемся к 4% (1). Тот же состав (с несколько повышенным содержанием эрбия и без второго сенсибилизатора - ионов хрома или неодима) рекомендуется разработчиками и для диодной накачки. Другой пример такого рода -разработка исследователями ИРЭ РАН хром-иттербий-эрбиевого (с малым содержанием хрома и повышенным - иттербия) стекла марки ЛГС-ХЧ для импульсно-периодических лазеров повышенной средней мощности с ламповой накачкой [89]. На активном элементе длиной 8 см из этого стекла была достигнута средняя мощность генерации 8 Вт. Задачей, поставленной и решаемой в настоящей главе диссертации, явилась разработка нового Yb-Er лазерного стекла, способного выдерживать без разрушения возможно более высокую среднюю мощность накачки. В отличие от упомянутых работ, и в соответствии с развиваемой концепцией создания специализированных лазерных материалов, требования к новому стеклу также были специализированы. А именно: при выборе состава не ставилась задача создания непременно универсального стекла, способного эффективно работать как при диодной, так и при ламповой накачке.
Это позволило существенно улучшить термопрочностные свойства разрабатываемого стекла по сравнению с аналогами. Забегая вперед, следует отметить также, что при выборе состава высокопрочного стекла удалось удовлетворить еще одному требованию: сделать его коэффициент термического расширения малым и достаточно близким к КТР кристаллов алюмомагниевой шпинели. Эти, легированные ионами двухвалентного кобальта, кристаллы были предложены (см. Часть П) в качестве эффективного пассивного модулятора добротности эрбиевых лазеров. Близость КТР активного и пассивного лазерных элементов позволила впоследствии (см. Часть Ш) создать на их основе монолитную конструкцию микрочип-лазера . 1.2.1. Поиск состава стекла. Хорошо известно (см., например, [90]), что силикатные стекла могут обладать значительно большими твердостью, устойчивостью к действию атмосферной влаги, теплопроводностью и меньшим термическим расширением, чем фосфатные. Структурно и тот и другой типы стекол состоят из тетраэдрических комплексов (соответственно SiCXt или РО ) с сильными ионно-ковалентными связями между центральным ионом и ионами кислорода. Однако свойства стекла сильно зависят от структуры и количества связей, объединяющих тетраэдры между собой. Так, в случае плавленого кварца, каждый SiCU — тетраэдр связан с четырьмя другими такими же тетраэдрами посредством мостиковых (т.е. имеющих связи с двумя различными ионами кремния) кислородных ионов. Эти связи образуют прочную трехмерную решетку, которая и обеспечивает великолепные термомеханические свойства плавленого кварца (твердость, тугоплавкость, низкий коэффициент термического расширения и относительно высокую теплопроводность). В фосфатных же стеклах, из-за пятивалентности фосфора, по крайней мере один из атомов кислорода в РО4 -тетраэдре должен образовывать две связи с центральным атомом. Поэтому число мостиковых атомов в фосфатных стеклах - не более трех в расчете на один атом фосфора. Связанные меньшим количеством мостиковых атомов, РО4 — группы образуют, в зависимости от состава стекла, островки, цепи или двумерные сети, слабо связанные между собой. Этим, в основном, и объясняются худшие термомеханические свойства фосфатных стекол и их невысокая химическая устойчивость. Известно, однако (см., например, [80, 90]), что свойства стекол на фосфатной основе могут быть существенно улучшены введением трехвалентных стеклообразующих ионов малого радиуса (В3+и А13+). Введение бора способствует, прежде всего, резкому повышению твердости фосфатного стекла, а алюминия - химической устойчивости и теплопроводности. Указанные ионы, так же как и ионы Р3+, способны образовывать тетраэдрические комплексы с кислородом. Чередование в структуре стекла РО4 — групп с В04 или AIO4 - группами позволяет сформироваться прочной трехмерной сетке с 4 мостиковыми атомами кислорода в расчете на один РО4, ВО или А104-тетраэдр, как и в силикатных стеклах. Из кристаллических аналогов с такой структурой следует указать на прочные и тугоплавкие кристаллы ВРО и А1Р04, не допускающие, однако, введения заметных количеств РЗИ. При поиске базового состава высокопрочного иттербий-эрбиевого лазерного стекла методологическим приемом явилось использование не чисто фосфатных, а смешанных (алюмо-боро-фосфатных) составов большим содержанием бора и алюминия.
Разумеется, безусловным требованием к стеклу явилось включение в его состав достаточно большого (»2х 10 см ) количества иттербия. Поиск составов велся в основном в системе P205-B203-Al203-MgO-Si02-Li20-Yb203. Магний рассматривался в качестве возможной компоненты стекла как ион-модификатор с большим зарядом и малым радиусом, образующий с кислородом достаточно сильные связи, сравнимые по прочности со связями кислород-фосфор. Кремний как дополнительный стеклообразователь позволял надеяться понизить кристаллизационную способность стекол и, возможно, дополнительно повысить связность фосфор - кислородных группировок. Литий вводился в составы для понижения температуры плавления до технологически приемлемых значений. Он был выбран среди щелочных металлов как обладающий наименьшим радиусом, т.е. наибольшей энергией связи с кислородом. Работа по поиску составов проводилась следующим образом: »20 г навески исходных реактивов плавились в корундовых керамических тиглях в печи сопротивления с карбид - кремниевыми ("силитовыми") нагревателями. Температура печи ограничивалась 1300-1350 С. Образцы, не образовавшие прозрачный однородный расплав по достижении этой температуры, выбраковывались как недопустимо тугоплавкие для варки в тонкостенных платиновых тиглях. Остальные образцы отливались в графитовую изложницу. От каждой отливки отделялся кусок в 1-2 г и возвращался в тигель, который ставился в остывающую печь. После остывания в закрытой печи (в течение 15-20 ч) выбраковывались составы со следами кристаллизации на поверхности или в объеме застывшего в тигле расплава. На оставшихся отливках, полученных таким образом, контролировались стойкость к атмосферной влаге и относительная твердость: Полированные образцы помещались в закрытый объем со 100% влажностью (клались на решетку над слоем воды в закрытой банке) и выдерживались 24 ч. при 95С. Отбраковывались образцы, на поверхности которых образовывался заметный налет. По причине невысокой стойкости к влаге пришлось отказаться от магний- и кремний-содержащих составов. Стекла без этих компонент, но с высоким содержанием алюминия оказались в числе наиболее влагостойких. На некоторых стеклах из этой группы налетообразование или пятнаемость становились заметны только на вторые-третьи сутки пребывания в паровой бане. Было также выяснено, что введение в алюмофосфатные стекла окиси бора вплоть до 15-17% тої. практически не влияет на стойкость к воздействию влаги, однако при дальнейшем повышении ее концентрации влагостойкость начинает немного снижаться. Твердость синтезированных образцов сравнивалась путем царапания их друг другом и эталонными образцами фосфатного и силикатного стекла. Как и следовало ожидать, твердость возрастала с ростом содержания бора.
Поиск и исследование пассивных модуляторов добротности для 1.5 мкм спектральной области.
Данная часть диссертации посвящена поиску и исследованию средств пассивного управления излучением полуторамикронных эрбиевых лазеров. Следует заметить, что на момент начала этих исследований (—1990 г.) пассивных средств управления генерацией (насыщающихся поглотителей или других материалов и устройств) для лазеров полуторамикронной области спектра известно не было. Описанные в П.1 и П.2 предложения использовать для пассивной модуляции добротности эрбиевых лазеров германиевые зеркала и стекла с высокой концентрацией эрбия явились первыми примерами пассивных модуляторов добротности для лазеров на эрбиевых стеклах. Лазеры с такими модуляторами показали неплохую эффективность, но ряд их недостатков сделал практическое использование неудобным. Так, для модуляции добротности лазера стеклом с высокой концентрацией эрбия потребовалось использование сложных оптических схем с острой фокусировкой излучения в пассивном затворе, а полупроводниковые зеркала легко (практически неизбежно) повреждались возникающими гигантскими импульсами. За прошедшее с тех пор время различными исследователями был предложен целый ряд средств и способов пассивной модуляции добротности и синхронизации мод для 1.5 мкм эрбиевых лазеров (см. Введение к диссертации.). Однако и из них не все оказались одинаково практически пригодными. Одна из причин встретившихся сложностей -малое усиление в эрбиевых лазерах и связанная с этим высокая их чувствительность ко всякого рода внутрирезонаторным потерям. В 1999 г. автором диссертации было предложено использовать для пассивной модуляции 1.54 мкм эрбиевых лазеров легированные кобальтом кристаллы магний-алюминиевой шпинели (стехиометрическая формула MgAkCH). Apriori их преимуществами являются: а) Кубическая структура кристаллов шпинели, т.е. их оптическая изотропия. б) Высокая механическая и лучевая прочность. в) Технологичность. Кристаллы могут быть выращены целым рядом способов: раствор-расплавным, по Чохральскому, а также по Вернейгао.
Последний способ является наименее затратным, однако состав выращиваемых по Вернейлю кристаллов существенно нестехиометричен и описывается формулой МО-(2.5-г3.5)АІ20з- Спектрально-кинетическим и лазерным ( как в лазерах с ламповой, так и с диодной накачками) исследованиям предложенного материала посвящены 11.3, П.4. Эти работы проводились как непосредственно в лаборатории КЛМ НЦДМТ ИОФРАН, так и совместно с исследовательской группой компании Kigre inc. в США. Основной результат этих исследований: по совокупности свойств легированная ионами кобальта алюмомагниевая шпинель (в т.ч. и кристаллы нестехиометрического состава, выращенные методом Вернейля) является наилучшим на сегодняшний день пассивным модулятором добротности 1.5 мкм лазеров на эрбиевом стекле. Выявленные свойства легированных кобальтом кристаллов алюмомагниевой шпинели позволили успешно применить их для модуляции добротности не только относительно крупных импульсных лазеров, но и микролазеров с непрерывной диодной накачкой. Эти эксперименты описываются в Главе 2 части Щ диссертации. С 60-х гг. известен (см., напр. [103], [104], [105], [106], [107], [108]) способ пассивной модуляции добротности рубинового (Я.Ю.69 мкм) лазера за счет повышения отражающей способности полупроводникового (а именно кремниевого) зеркала. При облучении полупроводника светом лазера в его поверхностном слое возникают дополнительные свободные носители тока, и когда их концентрация достигает уровня, при котором плазменная частота сравнивается с частотой излучения лазера, коэффициент отражения поверхности полупроводника возрастает и в лазере с таким зеркалом в резонаторе формируется гигантский импульс. Разумеется, данный механизм может иметь место и для других пар лазерных материалов и полупроводников с подходящей шириной запрещенной зоны, однако в литературе не встречалось упоминаний о пассивной модуляции таким способом лазеров с длиной волны излучения более -1.06 мкм. Интерес к такому способу модуляции обусловлен тем, что создание насыщающихся поглотителей для управления генерацией более длинноволновых лазеров оказалось достаточно сложной проблемой, решения которой стали появляться лишь в последние годы. В данном параграфе сообщается об обнаружении возможности пассивной модуляции добротности 1.54 мкм лазеров на эрбиевом стекле за счет повышения отражающей способности полированной поверхности германия. В эксперименте использовалась плоская полированная германиевая пластина, служившая «глухим» (непрозрачным) зеркалом резонатора, цилиндрический (06.3x100 мм) активный элемент из неодим-иттербий-эрбиевого стекла, накачиваемый импульсной лампой, и плоское (R=60%) выходное зеркало. Порог возникновения отдельных гшчков свободной генерации в лазере, образованном этими элементами, составил 157 Дж. При повышении энергии накачки до 177 Дж после нескольких пичков свободной генерации в лазере формировался гигантский импульс энергией около 150 мДж и длительностью -100 не. Генерация такого импульса приводила к разрушению поверхности германиевой пластины. Таким образом, впервые осуществлен с удовлетворительной эффективностью режим пассивной модуляции добротности лазера на эрбиевом стекле. Генерация гигантского импульса сопровождалась разрушением полупроводникового зеркала. То есть, описываемый способ модуляции добротности, при всей его привлекательной простоте, является одноразовым. Кроме того, он неприменим к миниатюрным лазерам, коэффициент усиления в которых ниже коэффициента отражения германиевой пластины.
Как известно, особенностью эрбиевых лазерных стекол является чисто трехуровневая схема генерации, при которой спектр люминесценции в области 1.5 мкм весьма близок к спектру поглощения. Поэтому излучение эрбиевого лазера поглощается в легированном ионами эрбия же стекле того же или близкого состава, причем сечение поглощения на длине волны генерации близко к сечению вынужденного испускания. По этой причине для модуляции добротности эрбиевых лазеров с помощью пассивного затвора на эрбиевом стекле (аналогично старым работам по модуляции добротности рубинового лазера рубином [109] ), необходима фокусировка излучения в затвор, как, например, в схеме резонатора, показанном на РисїІ.1. Эксперименты по проверке работоспособности и исследованию характеристик предлагаемой схемы проводились при ламповой накачке с использованием элемента 06.3x100 мм из неодим-иттербий-эрбиевого стекла, заключенном в диффузно отражающий осветитель, который обеспечивал высокую равномерность возбуждения активного элемента. Осветитель охлаждался проточной тяжелой водой. (Тяжелая вода, в отличие от обычной, обладает высокой прозрачностью в спектральной области, соответствующей полосе поглощения ионов иттербия). Коэффициент отражения выходного зеркала составлял 60%. Пассивный затвор представлял из себя тонкую (несколько десятых мм) пластинку из стекла, по составу аналогичного лазерному, но активированного только эрбием в концентрации 7х1020 см"3. Размер перетяжки пучка излучения в резонаторе зависел от расстояния между просветленной линзой и «глухим» вогнутым зеркалом, которые устанавливались так, что бы их суммарная (на 2-х проходах) оптическая сила составляла -0.5 дптр. При такой эмпирически подобранной юстировке резонатор не выходил из области устойчивости при термооптических искажениях в активном элементе, и в то же время обеспечивалась фокусировка излучения в пассивный затвор, достаточная для формирования гигантского импульса. Наилучшие результаты были получены с использованием пассивного затвора с начальным пропусканием 82%, установленного в перетяжке резонатора под углом Брюстера. При этом выяснилось, что лазер такой схемы имеет склонность к работе на основной поперечной моде. Были получены импульсы с энергией 6 мДж в ТЕМоо- моде с поперечными размерами 1 мм на выходном зеркале. В тех случаях, когда потери излучения на основной моде возрастали, например из-за деполяризации излучения в теплонапряженном активном элементе при частоте
Особенности выращенных различными способами кристаллов алюмомагниевои шпинели, легированной кобальтом.
Высокая температура плавления (2100С) кристаллов шпинели делает кристаллы , выращенные методом Чохральского, весьма дорогим материалом. Раствор-расплавный метод является намного более низкотемпературным. Кроме того, кристаллы, получаемые этим способом, наиболее совершенны. Однако скорость выращивания шпинели раствор-расплавным методом составляет всего несколько мм в неделю и, в результате, стоимость их оказывается еще выше. Метод выращивания кристаллов шпинели по Вернейлю известен уже несколько десятилетий [54] . Этот метод является самым быстрым и наименее затратным. Однако получаемые этим способом кристаллы существенно нестехиометричны. Их состав выражается формулой М0-(2.5- 3.5)АІ20з. Кроме того, известно, что выращенные способом Вернейля кристаллы зачастую оптически неоднородны и обладают внутренними напряжениями, что может сказаться на характеристиках лазеров с их использованием. В настоящем параграфе проводится сравнение спектральных и модуляционных свойств легированных кобальтом кристаллов шпинели, выращенных перечисленными способами, с целью выяснения их пригодности для использования в качестве модуляторов добротности. Спектры поглощения исследовавшихся кристаллов в различных спектральных интервалах приведены на Рис.П.5- 7. Представленные спектры свидетельствуют, что во всех кристаллах (включая нестехиометричные, выращенные по Вернейлю), ионы кобальта двухвалентны и занимают тетраэдрические позиции. Однако кристаллы, выращенные методом Вернейля, имеют определенные особенности: - У этих кристаллов наилучшая прозрачность в ультрафиолетовой области спектра. - В них имеется полоса поглощения в области 3 мкм из-за присутствия ОН-групп. Источником этой примеси, очевидно, является водород-кислородное пламя. Известно, что поглощение 1.54 мкм лазерного излучения примесными ОН-гругшами в эрбиевых лазерных стеклах является существенным источником энергетических потерь в лазере. Подобная ситуация возможна и в кристаллах шпинели. Прямое измерение возможного слабого поглощения ОН-групп на длине волны генерации на фоне гораздо более сильного поглощения ионов кобальта практически невозможно.
Однако возможно обнаружить вызванное ОН-гругшами снижение характеристик лазера с таким модулятором. - Хотя поглощение на длине волны генерации лазеров на эрбиевых стеклах 1.54 мкм во всех кристаллах приблизительно одинаково, имеются определенные различия в ширине и форме 1,3-1.6 мкм полосы поглощения. В нестехиометричных кристаллах, выращенных методом Вернейля, ширина полосы несколько больше. Это обстоятельство, в принципе, может позволить использовать эти кристаллы для модуляции добротности тех кристаллических эрбиевых лазеров, которые излучают по квазичетырехуровневой схеме на длинах волн около 1.6 мкм. Представляет интерес сравнение эффективностей модуляции добротности эрбиевых лазеров кристаллами шпинели, выращенными различными способами. Возможные различия могут быть вызваны влиянием ОН-групп, особенностями формы 1.3-1.5 мкм полосы поглощения, неодинаковой лучевой прочностью кристаллов шпинели, выращенных различными способами. Сравнительные испытания проводились при помощи лазера на эрбиевом стекле с ламповой накачкой (размер элемента 05x88 мм). Для исключения влияния вариаций модового состава излучения лазера в резонаторе имелась 2.5 мм диафрагма, стабилизировавшая излучение на основной поперечной моде. Все исследуемые кристаллы шпинели сполировывались до толщины, обеспечивавшей поглощение в 8% на 1.54 мкм. Просветляющего покрытия на кристаллы не наносилось. Испытания не выявили каких-либо различий в характеристиках лазера (выходная энергия и длительность импульса) с модуляцией различными исследуемыми кристаллами. Ни в одном из них не наблюдалось оптического пробоя. Оптическая однородность всех кристаллов (в том числе Вернейлевских при разумном выкраивании модулирующей пластинки из були) оказалась вполне удовлетворительной. Основной вывод из материалов данного параграфа состоит в том, что выращенные методом Вернейля нестехиометричные кристаллы алюмомагниевой шпинели равно пригодны для модуляции добротности эрбиевых 1.54 мкм лазеров, как и кристаллы, выращиваемые методами Чохральского и раствор-расплавным. Поскольку метод Вернейля является существенно менее затратным, чем остальные, этот вывод имеет важнейшее практическое значение. Предложен и исследован ряд материалов и способов пассивной модуляции добротности эрбиевых полуторамикронных лазеров: - В 1990 г. (хронологически впервые) были предложены два средства пассивной модуляции добротности эрбиевых полуторамикронных лазеров на стекле: германиевое зеркало с нелинейным (зависящим от интенсивности падающего излучения) коэффициентом отражения и насыщающийся поглотитель - стекло с высокой концентрацией эрбия и тербия. Лазеры с такими модуляторами показали неплохую эффективность, но ряд их недостатков сделал практическое использование неудобным. Так, для модуляции добротности лазера эрбий-тербиевым стеклом требуются сложные оптические схемы с острой фокусировкой излучения в пассивный затвор, а полупроводниковые зеркала легко повреждаются лазерным излучением.
Было предложено использовать для пассивной модуляции добротности эрбиевых полуторамикронных лазеров легированные кобальтом кристаллы магний-алюминиевой шпинели. Преимуществами этого материала являются: кубическая структура кристалла, т.е. его оптическая изотропия, высокая механическая и лучевая прочность, технологичность. Были определены основные спектрально-кинетические параметры этого материала: сечение поглощения ионов кобальта и время релаксации просветленного состояния. Эти параметры оказались вполне соответствующими требованиям к пассивному затвору для лазеров на эрбиевых стеклах. С помощью предложенного материала была осуществлена пассивная модуляция добротности лазеров на эрбиевом стекле с высокой эффективностью, приближающейся к эффективности активных способов модуляции. Было проведено сравнение эффективности предложенного материала с эффективностью пассивных затворов из CaF2:U. Этот тип пассивных затворов был на момент проведения исследований единственным применяемым на практике. Сравнительные эксперименты показали явное превосходство модуляторов из MgAl204: Со2+перед CaF2:U. - Была показана применимость (с определенными оговорками) кристаллов MgAl204:Co2+ для пассивной модуляции добротности неодимовых лазеров с длиной волны генерации 1,32-5-1.44 мкм. - Было установлено, что выращенные по Вернейлю нестехиометрические кристаллы шпинели обладают некоторыми спектроскопическими особенностями (выше прозрачность в УФ области спектра, слегка уширены края полосы поглощения Со2+ в области 1.3-1.6 мкм, наличествует полоса поглощения в области 3 мкм, вызванная примесью ОН-групп). Однако на характеристиках эрбиевых полуторамикронных лазеров с таким модулятором эти особенности не сказываются. Поскольку метод Вернеиля является наименее затратным, последний вывод имеет важнейшее практической значение. Предметом третьей, заключительной, части диссертации явилось создание и исследование генерационных возможностей диодно-накачиваемых 1.5 мкм лазеров на описанных в Частях І, П новых стеклообразных и кристаллических активных и пассивных материалах. Для преобладающего большинства применений эрбиевых лазеров на объемных элементах требуется модуляция добротности резонатора. Одной из причин этого обстоятельства является конкуренция твердотельных лазеров с полупроводниковыми инжекционными лазерами, которые имеют явные преимущества перед твердотельными по стоимости, КПД и габаритам, однако не могут генерировать импульсов высокой пиковой мощности. По этой причине основное внимание здесь было уделено лазерам с модуляцией добротности (как активной, так и пассивной).
Модуляция добротности непрерывно-накачиваемых микролазеров на Yb-Er стеклах при помощи затворов на нарушенном полном внутреннем отражении.
Как отмечалось выше, на момент начала работы диссертанта с продольно- накачиваемыми иттербий-эрбиевыми микролазерами практически не существовало средств и способов их модуляции добротности. Единственные имевшиеся сообщения на эту тему - о механической модуляции при помощи задвижек [62], [63] и при помощи пьезоуправляемого интерферометра Фабри-Перо в составном резонаторе [64]. Кроме того, в [146] сообщалось об изготовлении монолитного микрочип-лазера с электрооптическим модулятором из танталата лития. Однако о получении генерации в таком лазере в [146] сведений нет. В настоящем параграфе исследуется возможность активной модуляции добротности эрбиевых микролазеров при помощи оптических затворов на нарушенном полном внутреннем отражении (НПВО-затворов). Преимущества НПВО-затворов для модуляции добротности лазеров с низким коэффициентом усиления известны. Это - низкие оптические потери (обычно около 1-2% на проход) и нечувствительность к поляризации модулируемого излучения. Однако достижимый в лазерах исследуемого типа коэффициент усиления также составляет единицы процентов на проход. Поэтому помещение обычным образом в резонатор такого лазера НПВ О-модулятора приведет к потерям, сравнимым или даже превышающим коэффициент усиления активной среды и сделает сколько-нибудь эффективную генерацию невозможной. Во избежание чрезмерных оптических потерь была предложена оптическая схема, изображенная на Рис.Ш.8. Ее элементы -это: 1. Активный элемент из иттербий-эрбиевого лазерного стекла. Это -плоскопараллельная пластинка, на внешнюю (правую на рисунке) поверхность которой нанесено выходное зеркало (с пропусканием на длине волны генерации 1,54 мкм порядка 1%), отражающее также излучение накачки (Х=0,93- 0,98 мкм). На внутреннюю (левую на рисунке) поверхность АЭ нанесено промежуточное зеркало, пропускающее накачку и отражающее некоторую долю генерируемого излучения. Это зеркало необходимо для снижения чувствительности лазера к оптическим потерям на модуляторе. При наличии промежуточного зеркала лишь часть излучения лазера проходит сквозь модулятор в процессе обхода резонатора. Критерии выбора коэффициента отражения промежуточного зеркала будут обсуждены ниже. 2. Вогнутое (для обеспечения устойчивости резонатора), по возможности высокоотражающее на .=1,54 мкм зеркало. 3. НПВО-модулятор. Две его грани , находящиеся в резонаторе лазера, должны быть просветлены на 1,54 мкм. Желательно также просветляющее покрытие на длине волны накачки на грани, обращенной к лазерному диоду.
Следует отметить, что в предлагаемой схеме оптический затвор НПВО выполняет сразу две функции: модулятора добротности резонатора лазера и элемента, осуществляющего пространственно-временное разделение пучков излучения накачки и генерации. Как видно из Рис.Ш.8, излучение накачки лазерного диода 5 проходит через фокусирующую систему 4, отражается от рабочей поверхность НПВО-затвора (в закрытом состоянии) и фокусируется в активном элементе. Накачка может осуществляться непрерывно, за исключением коротких (единицы микросекунд) промежутков времени, когда затвор открыт. В это время излучение накачки свободно проходит сквозь затвор, а в лазере формируются гигантские импульсы за счет энергии, ранее запасенной в активной среде. Кратковременность открытого состояния затвора по сравнению как со временем жизни верхнего лазерного уровня эрбия (»7 мс) , так и с допустимым периодом срабатывания затвора (не менее 1 мс) делает указанные потери излучения накачки совершенно несущественными. Нанесенное на АЭ промежуточное зеркало и «глухое» зеркало 2 образуют для лазерного излучения, падающего из активного элемента, интерферометр Фабри - Перо с неодинаково отражающими зеркалами. Внутренние потери интерферометра определяются, в основном, характеристиками затвора НПВО в открытом состоянии. Можно показать, что максимумы отражения такого интерферометра (на которых и должен генерировать лазер) выражаются формулой: Rfflax=(R1+R2+2 R2)/(l4-R1R2+2VR R2) Где Ri -коэффициент отражения промежуточного зеркала на длине волны генерации, a R2 - эквивалентный ( с учетом потерь излучения при двойном проходе через затвор) коэффициент отражения от «глухого» зеркала. Видно, что комбинация из двух зеркал даже при наличии потерь, вносимых затвором, позволяет достигать коэффициентов отражения, намного превышающих 99%. Следует отметить, что изготовление обычных дихроичных зеркал с коэффициентами отражения порядка 99,7% и выше и обладающих притом достаточной лучевой прочностью встречает большие технологические трудности. Отсутствие необходимости в таких зеркалах составляет важное достоинство описываемой схемы. Для генерационных экспериментов было использовано концентрированное иттербий-эрбиевое лазерное стекло (концентрация активных ионов Yb3+ -4x10 см" и Er + - 1,5x10 см 3). Толщина активных элементов составляла 0,8 мм. Накачка осуществлялась одним InGaAs лазерным диодом, излучающим на длине волны 0,93 мкм (которой соответствует коэффициент поглощения в лазерном стекле около 10 см 1).
Падающая на АЭ мощность излучения накачки достигала 320 мВт при поперечных размерах прокачиваемой области около 150x150 мкм. Использовавшиеся вогнутые зеркала имели радиус кривизны 5 см и коэффициент отражения около 99,5%. Конфигурация резонатора была близка к полуконфокальной. Остальные параметры двух микролазеров , собранных по схеме Рис.ГО.8, приведены в Таблице Ш.2. В эксперименте с активным элементом №1, суммарный коэффициент пропускания зеркал на котором был меньше достижимого в нем усиления, наряду с гигантскими импульсами могла наблюдаться свободная генерация на этих зеркалах, заполнявшая промежутки времени между срабатываниями затвора. Наличие свободной генерации, т.е. затравочного излучения в резонаторе лазера, приводит к резкому сокращению длительности формирования гигантских импульсов, которое становится меньше времени переключения затвора из закрытого в полностью открытое состояние (в данном случае около 0,5 мкс). Поскольку гигантские импульсы формируются до полного открывания затвора, кинетика генерации представляет собой несколько (4-5) импульсов относительно большой длительности (30-40 не). Неполная прозрачность затвора во врехМЯ генерации таких импульсов приводит к дополнительным потерям энергии за счет отражения от его рабочей поверхности. В описываемом эксперименте в сторону, противоположную лазерному диоду, отражалось 30%, а в сторону диода - 19% энергии (от излучаемой через выходное зеркало). В эксперименте с активным элементом №2, суммарное пропускание зеркал на котором превышало максимально возможный коэффициент усиления в нем, свободная генерация с необходимостью отсутствовала, а при модуляции добротности формировались одиночные гигантские импульсы длительностью 10 12 не (пиковая мощность 500 - 600 Вт). НПВО-затвор во время генерации таких импульсов находился в практически полностью открытом состоянии: от его рабочей поверхности отражалось не более 1% от энергии, излучаемой через выходное зеркало лазера. Таким образом, для формирования коротких мощных гигантских импульсов коэффициент отражения промежуточного зеркала следует выбирать таким, чтобы обеспечить невозможность возникновения свободной генерации на нанесенных на АЭ зеркалах.
