Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка и исследование неодимсодержащих сред для лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.3 мкм 12
1.1 Спектрально-люминесцентные свойства редкоземельных ионов 13
1.2 Влияние материала матрицы на длину волны люминесценции на переходе 4F3/2-4Ii3/2 ионов неодима 16
1.2.1 Спин-орбитальное взаимодействие 16
1.2.2 Нефелауксетический сдвиг 17
1.2.3 Штарковское расщепление 18
1.3 Усилительные свойства неодима вблизи 1.3 мкм 22
1.4 Объекты исследования 28
1.4.1 Спектры поглощения и их анализ по теории Джадда-Офельта 33
1.4.2 Фторидные кристаллы 36
1.4.3 Оксидные кристаллы 41
1.5 Люминесцентные свойства 42
1.5.1 Люминесцентные свойства фторидных кристаллов 44
1.5.2 Люминесцентные свойства оксидных кристаллов 52
1.6 Времена жизни уровня ^3/2 55
1.7 Спектры сечения люминесценции 58
1.8 Максимально возможное усиление активных сред 63
1.9 Спектры лазерной генерации фторидных кристаллов 65
Основные результаты Главы 1 70
Глава 2. Лазерные генераторы и усилители излучения ближнего (1.3-1.5 мкм) и среднего (2-5 мкм) ИК диапазона 71
2.1 Генерация излучения на переходе ^3/2-^13/2 в кристаллах гадолиний галлиевого граната с неодимом 71
2.1.1 Определение пикового сечения межштарковского перехода в кристалле GGG:Nd на основе измеренных спектров люминесценции .. 71
2.1.2 Определение величины эффективного сечения лазерного перехода на основе лазерных экспериментов 73
2.1.3' Лазерная генерация кристаллов GGG:Nd3+ и GGG:Nd3+,Cr3+ на переходе ^3/2-^13/2 (Х=1.33 мкм) 74
2.1.4. Получение длинноволнового излучения вблизи 1.4 мкм на переходе ^3/2-^13/2 ионов неодима 78
2.1.5 Люминесцентные свойства и спектр сечения люминесценции кристалла GGG:Nd3+ на переходе ^3/2-^13/2 вблизи длины волны 1.4 мкм 79
2.1.6 Генерационные свойства кристалла GGG:Nd3+,Cr3+ на длине волны 1.42 мкм 80
2.2 Получение заданной длины волны излучения твердотельного лазера в области 1.3 мкм для накачки HF молекулярного газа :...84
2.2.1 Разработка и исследование узкополосного лазера, генерирующего на длине волны 1330.67 нм, для накачки HF молекулярного лазера 84
2.2.2 Исследование регенеративного усилителя на длине волны 1.3 мкм на основе кристалла GGG:Nd + 89
2.2.2.1 Численное моделирование однопроходового усиления в активных средах при ламповой накачке 91
2.2.2.2 Многопроходовые усилители на длине волны 1.3 мкм 94
2.3 Преобразование излучения неодимовых лазеров с длиной волны 1 .Змкм в безопасный для глаз диапазон длин волн 1.5 мкм с помощью ВКР 99
2.3.1 Внугрирезонаторное и внерезонаторное ВКР преобразование излучения 1 3-Й .5 мкм в кристалле Ba(NCh)2 при пассивной модуляции добротности лазера накачки кристаллами SrF2:Nd2+ и YAG:V3+... 101
2.3.2 ВКР преобразование излучения 1.3-И.5—»1.8—»2.1 мкм в новом Рамановском кристалле BaW04 при накачке YAG:Nd лазером с акусто-оптической модуляцией добротности 104
2.4 Генерация ионов диспрозия (Dy3+) в новом кристалле тиогаллата свинца (PbGa2S4) с коротким фононным спектром при накачке YAG:Nd3+ лазером, работающем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации 106
Основные результаты Главы 2 119
Глава 3. Использование традиционного и кооперативного механизмов переноса энергии для создания эффективных лазеров среднего ИК диапазона 120
3.1. Безызлучательный перенос энергии в системе донор-акцептор 120
3.2. Сенсибилизация люминесценции ионов эрбия и гольмия ионами четырехвалентного хрома в кристалле ортосиликата иттрия (Y2Si05) 122
3.3 Определение механизмов передачи энергии от ионов Сг4+ к ионам Ег34" и Но3+ в кристалле YjSiOj и эффективности переноса 125
3.4. Исследование кооперативного переноса энергии, сенсибилизации и размножения оптических возбуждений в кристаллах фторидов для создания лазеров среднего ИК диапазона...: 129
3.5 Традиционный донор-акцепторный перенос энергии от ионов эрбия к ионам церия в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3 131
3.6 Кооперативное тушение люминесценции ионов неодима и эрбия в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3 132
3.7 Кооперативное тушение люминесценции ионов туллия, гольмия и тербия в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3 136
3.8 Интегралы перекрытия спектров люминесценции редкоземельных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух- и трехчастичных акцепторов - ионов Се3+ 146
3.9 Кооперативное тушение люминесценции ионов тербия в кристаллах иттриевого и итербиевого гранатов 151
3.10 Исследование последовательной и кооперативной сенсибилизации верхнего уровня иона церия в системе с размножением возбуждений для создания лазеров среднего ИК диапазона 153
Основные результаты Главы 3 159
Заключение
- Влияние материала матрицы на длину волны люминесценции на переходе 4F3/2-4Ii3/2 ионов неодима
- Определение пикового сечения межштарковского перехода в кристалле GGG:Nd на основе измеренных спектров люминесценции
- Преобразование излучения неодимовых лазеров с длиной волны 1 .Змкм в безопасный для глаз диапазон длин волн 1.5 мкм с помощью ВКР
- Сенсибилизация люминесценции ионов эрбия и гольмия ионами четырехвалентного хрома в кристалле ортосиликата иттрия (Y2Si05)
Введение к работе
В течение достаточно долгого времени основным приложением лазерных систем было взаимодействие лазерного излучения с веществом, включающее в себя лазерную резку и сварку, лазерную хирургию и др., для которых основными параметрами лазерного излучения были выходная мощность, КПД, расходимость излучения. При этом спектральные характеристики излучения (точная длина волны генерации, ширина спектра и т.д.) были достаточно второстепенны, поскольку не играли решающей роли. Однако, за последнее время возник целый ряд областей применения, для которых спектральные характеристики излучения вышли на первый план. Среди них можно- отметить телекоммуникацию, для которой существенную роль играют так называемые «окна прозрачности» сред, в которых распространяется излучение; лазерная диагностика содержания примесей, где необходимо точное совпадение частоты излучения лазера с узкой спектральной линией поглощения детектируемого вещества, спектроскопия материалов с высоким разрешением, медицина и т.д. Одним из способов решения этих задач является использование лазеров на основе редкоземельных (РЗ) ионов в твердых телах как наиболее распространенных и высокоэффективных лазеров, имеющихся на сегодняшний день.
Поскольку спектроскопические свойства редкоземельных ионов зависят от типа кристаллической матрицы, представляется важным определить влияние таких параметров как тип аниона окружения, силы кристаллического поля, симметрии оптических центров на оптические свойства и частоту лазерных переходов. Необходимо отметить, что оценка влияния отдельных параметров на длину волны лазерного излучения в некоторых работах уже предпринималась [например 1,2], однако систематического анализа не проводилось. Поэтому разработка методики выбора кристаллических матриц, активированных РЗ ионами, позволяющей на основе спектроскопических исследований предложить материал, обеспечивающий создание лазерных сред с определенными спектроскопическими свойствами представляется одной из актуальных задач современной науки.
Высокоэффективным способом освоения новых диапазонов спектра и получения новых длин волн генерации является создание лазерных и нелинейных конвертеров. Ключевым звеном здесь является поиск и исследование новых лазерных материалов и нелинейных материалов для вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) и разработка эффективных схем их оптической накачки. Решение этих проблем позволяет значительно расширить диапазон генерации твердотельных лазеров до 1.3-5 мкм.
Фундаментальные вопросы кооперативного переноса оптических возбуждений от одного атома (иона) с большей энергией к двум атомам (ионам) с меньшей энергией и
-7-наоборот теоретически начали обсуждаться еще 50 лет назад в работах Д.Л. Декстера (D.L. Dexter). В 70-е годы в связи с поиском материалов и схем лазеров видимого диапазона основное внимание было уделено исследованию процессов up-конверсии, что привело к обнаружению безызлучательного переноса энергии в высоко концентрированных кристаллах при сильном возбуждении одновременно от двух ионов Yb3+, выступающих в качестве кооперативного донора энергии, к одному иону ТЬ3+, выступающему в роли акцептора. Вероятность такого кооперативного процесса оказалась очень мала - на два-три порядка меньше вероятности радиационного распада участвующих уровней. Квантовый выход этого интересного физического процесса оказался менее 1% и он не нашел каких либо практических приложений.
В последнее время возникла потребность продвижения из ближнего инфракрасного (ИК) диапазона в средний ИК диапазон. В связи с этим особый интерес могут представлять процессы деления или размножения возбуждений, идущие с уменьшением энергии, но ростом их числа. Поэтому актуальной задачей представляется исследование кооперативного процесса безызлучательного переноса энергии от одного иона донора с большей энергией одновременно на два, три иона акцептора, с меньшей энергией (down-конверсия), а также определение параметров, оказывающих влияние на эффективность такого процесса.
Цель работы.
Целью работы являлось: систематическое исследование и анализ влияния параметров кристаллической матрицы на длину волны лазерного излучения неодимовых лазеров, что позволяет на основе спектроскопических исследований выбрать материал для создания лазеров, имеющих заданные спектроскопические свойства; определение критериев отбора и выбор кристаллических сред, активированных ионами неодима, для создания эффективных генераторов и усилителей в спектральном диапазоне 1.28-1.32 мкм; поиск и исследование различных преобразователей и конвертеров лазерного излучения для получения новых длин волн генерации в ближнем и среднем ИК диапазонах; исследование процессов кооперативного безызлучательного переноса энергии от различных редкоземельных ионов одновременно к двум (трем) ионам церия, выступающим в роли кооперативного акцептора, что приводит к уменьшению энергии конечных возбуждений при росте их числа, для создания новых эффективных лазеров среднего ИК диапазона.
-8-В диссертации решены следующие основные научные задачи:
1. На основе исследования свойств ионов неодима в кристаллических матрицах оксидов
и фторидов разработаны методы поиска и селекции активных сред для получения усиления
и генерации в заданном диапазоне длин волн 1.28-1.32 мкм. Предложен
спектроскопический критерий качества кристаллических сред.
Определены наиболее подходящие среды и создан ряд источников лазерного излучения с заданными спектральными характеристиками.
Обнаружен и исследован процесс кооперативного безызлучательного переноса энергии (down-конверсии) от одного иона донора на двухчастичные и трехчастичные кооперативные акцепторы в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3 с примесями редкоземельных ионов.
Научная новизна результатов.
Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе являются новыми и представляют собой либо логическое развитие уже известных научных результатов, либо получены впервые.
В диссертационной работе:
Разработан спектроскопический метод поиска и исследования неодимсодержащих кристаллов для 'лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм, заключающийся в определении nov спектрам поглощения ионов неодима в кристаллической, матрице отношения сил линий на усиливающем переходе ^3/2-^13/2 и переходе ^3/2-^67/2, связанном с поглощением из возбужденного состояния. Показано, что отношение указанных сил линий может служить спектроскопическим критерием применимости неодимсодержащих кристаллических активных лазерных сред для создания лазеров и оптических усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм и характеризует возможность получения коротковолнового усиления и генерации.
Сформулированы требования к материалу активной среды для получения коротковолновой люминесценции, усиления и генерации в области 1,3+0.02 мкм, заключающиеся в высокой степени ионности связи редкоземельный ион-лиганд, приводящей к уменьшению т.н. нефелауксетического сдвига и сдвигу оптических частот переходов в коротковолновую область; наличию сильного внутрикристаллического поля, приводящему к значительному Штарковскому расщеплению уровней; высоким значениям
-9-высокосимметричных параметров кристаллического поля (В4, Вб) и малой величине низкосимметричного возмущения (Вг).
Предсказано и установлено наличие наиболее коротковолновой люминесценции (А.=1.298-1.301 мкм) и наибольшего значения сечения усиление в области 1,3 мкм (а~5-6x10'21 см2) в кристаллах простых фторидов Са и Sr с ярко выраженной ионной связью и преобладанием высокосимметричных тетрагональных оптических центров иона неодима. Высокие усилительные свойства исследованных фторидных кристаллов подтверждены лазерными экспериментами по генерации в коротковолновой области спектра кристалла SrF2:NdF3 (А.=1.298-1.32 мкм), которая также представляет интерес для оптической накачки лазера на кристалле тиогаллата свинца, активированного ионами диспрозия (PbGa2S4:Dy3+), генерирующего в среднем ИК (4.33 мкм) диапазоне.
Показано, что использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната, активированных ионами неодима и соактивированных ионами трехвалентного хрома (GGGiNd^Cr3*) позволяет создавать эффективные лазеры с ламповой накачкой с длиной волны генерации 1.33 мкм и 1.42 мкм с эффективностью 2.2% и 1.2% соответственно.
Показано, что использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната, активированного ионами неодима, (GGG:Nd3+) позволяет получить наиболее близкие значения длин волн генерации для прямого оптического возбуждения линии поглощения R(4) второго обертона HF(2-0) молекулярного газа и продемонстрирована возможность создания узкополосного (ширина линии генерации -0.02 см"1) генератора с температурной и резонаторной плавной перестройкой, длины волны в диапазоне 1,3307-1,3315 мкм выходного излучения для наиболее полного совпадения с линией поглощения молекулярного газа.
Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования усилителей для лазеров, работающих на длине волны 1.3 мкм и показано, что для однопроходовых усилителей с размерами активного элемента 5x60 мм коэффициент усиления составляет порядка 1.7. Предложена схема кольцевого регенеративного усилителя на длине волны 1.3 мкм, обеспечивающего в аналогичном активном элементе коэффициент усиления порядка 4.7.
При накачке наносекундным излучением 1.3 мкм неодимового лазера получена эффективная генерация ВКР лазера на основе нового кристалла вольфрамата бария в среднем ИК диапазоне с длинами волн 1.53 мкм (первая стоксова компонента), 1.78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13.5% и 5% соответственно.
-10-Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (PbGa2S4), активированного ионами диспрозия, и впервые получена генерация в области среднего ИК диапазона (4.33 мкм) с эффективностью до 1% при накачке YAG:Nd3+ лазером, генерирующем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации.
Обнаружен и исследован процесс высокоэффективного кооперативного переноса энергии, down-конверсии и размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Lai. xCexF3, активированных РЗ ионами Nd3+, Er3"1", Tm3+, Но3+, Tb3+, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии (down-конверсии) по сравнению с известным процессом кооперативной up-конверсии. Впервые получены кинетики кооперативного тушения различных РЗ ионов и нелинейные зависимости скорости кооперативного тушения от концентрации акцепторных ионов. Показана корреляция скорости кооперативного тушения в системе РЗ ион -2Се3+ с величиной элементов матричного оператора (v|/J||U^)||\|/'J')2 оптического перехода в ионе донора, который варьируется различных РЗ ионах на два порядка величины. Определено влияние на скорость кооперативного тушения величины интеграла перекрытия спектров люминесценции донорных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух и трех частичного акцепторов - ионов церия. Для донорных ионов туллия (Тт3+), гольмия (Но34), имеющих наиболее высокие значения элементов матричного оператора (\|Я||и(1)||н/Т)2 , получены скорости кооперативной релаксации порядка 104 с'1, значительно превосходящие скорости излучательной релаксации (порядка 103 с'1) соответствующих уровней.
Предложена схема последовательной и кооперативной сенсибилизации ионов Се3+ ионами Dy3+, Er34, Tm3+, Но3+ с квантовым выходом 200-300% за счет размножения возбуждений. Измерены спектры ИК люминесценции и времена жизни метастабильного ^7/2 уровня ионов Се3+, демонстрирующие перспективность данного активатора для создания лазеров среднего ИК диапазона (4-5 мкм).
Практическая значимость работы
Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований могут быть использованы для создания лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм для телекоммуникационных приложений; оптической накачки кристаллов и молекулярных газов.
Новые источники лазерного излучения - ВКР-генераторы, кристаллические и газовые лазерные конверторы с новыми линиями генерации в слабо освоенных диапазонах длин
волн 1.5-2.2 мкм, 3.5-5.5 мкм могут найти многообразные применения в экологии, медицине, оптической локации и связи.
Предложенные новые схемы кооперативной сенсибилизации и down-конверсии могут найти применение при создании лазеров среднего ШС диапазона (4-5 мкм).
Влияние материала матрицы на длину волны люминесценции на переходе 4F3/2-4Ii3/2 ионов неодима
Энергия электронов 4f оболочки ионов неодима, участвующих в оптических переходах, определяется Кулоновским взаимодействием между 4f электронами с учетом влияния поля окружающих лигандов, спин-орбитальным взаимодействием электронов (S-L связь) и Штарковским расщеплением энергетических уровней иона неодима в кристаллическом поле материала матрицы. В первом приближении, без учета Штарковского расщепления, энергия низколежащих 4Ііз/2 и 41ц/2 Уровней иона неодима определяется только величиной спин-орбитального расщепления 41 состояния. В рамках приближения S-L связи, величина спин-орбитального расщепления ДЕ; может быть выражена через квантовые числа S, L, J и фактор Ланде X в виде [10]: Ду. = X (L,S) = Я [J(J + 1)- L(L + 1)- S(S +1)] где X для редкоземельных ионов может быть вычислена как 200(2-55) см"1, z - атомное число. Важно, что величина спин-орбитального расщепления не зависит от величины кристаллического поля, воздействующего на ион неодима при помещении его в кристаллическую или стеклянную матрицу, и, следовательно, положение уровней 41ц/2 и 4Ij3/2 также оказывается не зависящим от типа матрицы. Другая ситуация складывается для высоколежащих уровней неодима с другими значениями орбитальных квантовых чисел L (4F3/2, 4Fs/2 4 з/2» 4 7/2-- 4G5/2, 2&і/2 4 7/г)- Энергетический зазор между этими и нижележащими 4I(i5/2,13/2,11/2,9/2) уровнями определяется электростатическим Кулоновским взаимодействием, которое может быть описано интегралами Слейтера F2, F4, F6. Поэтому энергии рассматриваемых 4F и 4G мультиплетов, участвующих в лазерной генерации, по отношению к основному 41 состоянию могут быть определены как [11]: Е( 1) = 0 Е (4F) = 35F2 + 42 F4 + 637 F6 E (4G) =55F2+ 66 F4 + 1001 F6
В приближении водородноподобных волновых функций для 4f электронов соотношение между интегралами Слейтера может быть записано как: F4 = 0. J 38 F2, F6 = 0.0151F2, а зависимость параметра F2 от значения атомного числа z для редкоземельного иона аппроксимируется следующим выражением: F2 = 12.820(2-34). Эмпирически полученное значение параметра F2 для иона неодима составляет 337 см"1. Помещение редкоземельного иона, и, в частности, иона неодима в кристаллическую матрицу приводит к частичному перекрытию орбит 4f электронов иона неодима с орбитами окружающих его анионов кристаллической матрицы (лигандов) и экранированию межэлектронного Кулоновского взаимодействия. Различная степень перекрытия, соответствующая различной степени ковалентности химической связи, приводит к различной степени экранирования Кулоновского взаимодействия между 4f электронами. Это явление получило в литературе название нефелауксетического сдвига (nephelauxetic shift) и проявляется в виде сдвига в длинноволновую область всех оптических переходов редкоземельного иона в кристаллической матрице по сравнению со "свободным" ионом при увеличении ковалентности связи редкоземельный ион-лиганд.
Из литературных данных [12] следует, что величина нефелауксетического сдвига зависит в основном от типа аниона кристаллической матрицы (О2", Br, Cl , F"), характеризующегося зарядом и ионным радиусом. На Рис. 1 схематически приведены энергетические диаграммы уровней иона неодима для различных анионов кристаллической матрицы и показана величина нефелауксетического сдвига по отношению к свободному иону. Для оксидных кристаллов и стекол, в особенности простых оксидов (типа Y2O3, Ьа20з), где кислородные связи строго ориентированы по отношению к редкоземельным ионам, свойственны наибольшая ковалентность химической связи, наибольшее перекрытие волновых функций редкоземельного иона и лигандов и, следовательно, наибольший нефелауксетический сдвиг. Это приводит к уменьшению электростатического (Кулоновского) взаимодействия между 4f электронами, более низкому положению энергетических уровней и более низким частотам оптических переходов. В кристаллах хлоридов и бромидов наблюдается увеличение степени ионности связи и уменьшение нефелауксетического сдвига. Для фторидных кристаллов, где ион фтора имеет меньший ионный радиус по сравнению с хлором и бромом, типична еще большая степень ионности связи, что означает меньшую степень перекрытия волновых функций редкоземельного иона и лиганда. Это проявляется в меньшей величине нефелауксетического сдвига, более высоком энергетическом положении уровней и больших частотах оптических переходов.
Определение пикового сечения межштарковского перехода в кристалле GGG:Nd на основе измеренных спектров люминесценции
Наиболее интенсивная линия люминесценции иона Nd3+ в кристалле GGG приходится на длину волны 1.3315 мкм (см. спектр на Рис. 11 Глава 1). Эта линия соответствует переходу между самым нижним штарковским подуровнем уровня 4F3/2 и самым нижним Штарковским подуровнем уровня 4Ііз/2 и смещена в более длинноволновую область по сравнению с кристаллами алюминиевых гранатов из-за более слабого внутрикристаллического поля. Эта люминесцентная линия была с высокой точностью аппроксимирована Лоренцевым контуром с соотоветствующеи величиной полной ширины на полувысоте Av. Пиковое значение сечения вынужденного перехода для самой интенсивной линии люминесценции было получено из соотношения [34].
Здесь 0и - коэффициент ветвления люминесценции между 7-м С зп) и J-U (4Il3/2) мультиплетами; $ц - коэффициент ветвления люминесценции для перехода между і-ьім (мультиплета 2/2) и У -ым (мультиплета 4Ііз/2) штарковскими подуровнями; bj—expf-(Er Ei)/kT] - Больцмановский фактор для /-го штарковского подуровня уровня 4Бз/2 с энергией Ej, а То - излучательное время жизни уровня 4F3/2. Для вычисления по формуле использовались следующие данные: коэффициент ветвления для перехода 4F3/2_4Ii3/2 в кристалле GGG:Nd / /=0.112, а излучательное время жизни го=270 мкс было получено из измеренных кинетик затухания люминесценции. Коэффициент ветвления 0уу был вычислен путем численного интегрирования измеренных спектров люминесценции.
Зависимость энергии выходного лазерного импульса от энергии импульса накачки при различных значениях коэффициента отражения выходного зеркала R для GGG:Nd приведены на Рис. 22. Эти данные, использовались для определения величин пороговых энергий накачки Etf,. Зависимость величины логарифма коэффициента отражения
выходного зеркала, взятого с отрицательным знаком, -ln(R) от пороговой энергии накачки E(f, для лазера на кристалле GGG:Nd представлена на Рис. 23. Время жизни верхнего лазерного уровня, измеренное по кинетике затухания люминесценции, как уже упоминалось, составило для кристалла GGG:Nd 270 мкс. Диаметр пучка внутри активного элемента измерялся с помощью диафрагмирования торца активного элемента.
В генерационных экспериментах использовались кристаллы GGG:Nd диаметром 8 мм и длиной 80 мм, GGG:Cr,Nd диаметром 6.3 мм и длиной 100 мм. Концентрация ионов неодима составляла 2x1020 см"3 для GGG:Nd. Для кристалла GGG:Cr,Nd концентрации ионов неодима и хрома составляли соответственно 2.8х1020 см"3 и 1x1020 см"3. Торцы всех активных элементов имели просветляющее покрытие на длине волны основного перехода 4 3/2"4 П/2» а отражение от торцов на длине волны 1.3 мкм не превышало 1%. Накачка активных элементов осуществлялась в одноламповом эллиптическом посеребряном моноблоке длиной 90 мм, изготовленном из легированного европием кварца. В качестве источника накачки использовалась ксеноновая лампа диаметром 5 мм и длиной рабочего промежутка 90 мм.
Зависимости энергии выходного лазерного импульса от энергии импульса накачки при оптимальном коэффициенте отражения выходного зеркала R и энергиях накачки до 37 Дж для кристаллов GGG:Nd, GGG:Cr,Nd, показаны на Рис. 24, а результирующие данные сведены в Таблице 11, где приведены параметры, характеризующие эффективность работы лазеров с различными активными средами. В Таблице 11 значение абсолютного КПД r]tot. вычислено для максимального значения энергия накачки Ер=31 Дж. Из Таблицы 3 видно, что наибольший абсолютный КПД 2.2% достигается в лазере на кристалле GGG:Cr,Nd. Для сравнения в Таблице приведены измеренные в аналогичных условиях данные для кристаллов YAG:Nd и YAP.Nd. Видно, что абсолютный КПД для лазера на кристалле YAG:Nd в 1.6 раз, а для лазера на кристалле YAP:Nd в 1,2 раза меньше, чем для лазера на кристалле GGG:Cr,Nd. По сравнению с кристаллом GGG.Nd, соактивация ионами хрома дает выигрыш в абсолютном КПД в 1.8 раза, что соответствует данным по увеличению эффективности генерации на основном переходе иона неодима [36].
Для сравнения в Таблице 11 также приведены данные по эффективности лазерной генерации на основном переходе з/г-41ип-
С этой точки зрения наибольший интерес представляет излучение с длиной волны, смещенной в длинноволновую область к максимуму пика поглощения воды в этой области спектра, приходящийся на 1.5 мкм (см. Рис. 25). Это означает, что наиболее подходящим в данном случае является переход между самым нижним Штарковским подуровнем верхнего 4 з/2 уровня и самым верхним Штарковским подуровнем нижнего уровня 4Ііз/2- Заметим, что поскольку в генерации излучения с длиной волны 1.4 мкм участвуют те же уровни, что и для генерации излучения на длине волны 1.3 мкм, которые были подробно рассмотрены в Главе 1, то основные принципы анализа для выбора наиболее оптимальных материалов матриц, с точки зрения получения длинноволновой генерации на длине волны 1.4 мкм, применимы и здесь с определенными поправками. В отличие от случая коротковолновой генерации вблизи 1.3 мкм, в данном случае нефелауксетический сдвиг будет играть положительную роль, приводя к смещению всех полос люминесценции в более длинноволновую область. Кроме того, для смещения излучения в более длинноволновую область необходимы достаточно низкое положение центра тяжести верхнего уровня 4 з/2 и наличие сильного внутрикристаллического поля для получения существенного Штарковского расщепления как нижнего 4Ііз/2 так и верхнего уровня 4F3/2, причем в отличие от случая коротковолновой генерации вблизи 1.3 мкм здесь нет ограничения на максимальное расщепление уровня 4F3/2, связанное с необходимостью термического заселения верхнего Штарковского подуровня, поскольку наиболее длинноволновое излучение относится к переходу с самого нижнего Штарковского подуровня, который всегда заселен при комнатной температуре. Кроме того, с точки зрения получения генерации, сечение вынужденного перехода должно быть достататочно высоким (поскольку здесь конкурирующим будет не только переход 3/2-% 1/2, но и переход 4Рз/2-4Ііз/2 на длине волны 1.3 мкм). Исходя из этого, среди кристаллов, рассмотренных в Главе 1, наибольший интерес с точки зрения получения длинноволновой генерации вблизи 1.4 мкм, должны представлять материалы со структурой граната, которые, как уже было указано ранее, характеризуются достаточно сильным Штарковским расщеплением нижнего уровня 4Ііз/2 из-за больших значений высокосимметричных параметров кристаллического поля и высокими значениями сечений вынужденного перехода.
Преобразование излучения неодимовых лазеров с длиной волны 1 .Змкм в безопасный для глаз диапазон длин волн 1.5 мкм с помощью ВКР
Продвижение дальше в ИК диапазон 1.5-1.6 мкм связано с потребностью в лазерных источниках, работающих в официально сертифицированном безопасном для глаз диапазоне длин волн. Излучения с длиной волны 1.5 мкм может быть использовано в системах с открытым трактом луча, например в системах дальнометрии, передачи информации, локации и др. К сожалению, известно очень мало лазеров, излучающих в этом диапазоне длин волн. Наиболее известен лазер на ионах трехвалентного эрбия в стеклянных матрицах, где длина волны генерации составляет 1.54 мкм. Выше были рассмотрены лазеры на основе кристаллов гранатов с ионами трехвалентного неодима, работающие на переходе зп-\ ъп и излучающие на длинах волн 1.44-1.45 мкм. Излучение таких лазеров можно считать более безопасным для глаз, чем излучение с длиной волны 1.06 мкм и 1.3 мкм, однако они до настоящего времени не получили официальной сертификации. Сдвиг оптических частот излучения лазеров в диапазон 1.5 мкм может быть получен в результате процесса вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР). Этот нелинейный процесс представляет большой интерес, поскольку позволяет получать оптические частоты, которые не могут быть получены непосредственно в процессе лазерной генерации.
В основе эффекта Рамановского рассеяния лежит нелинейное взаимодействие излучения с нелинейной средой, определяемое нелинейной восприимчивостью третьего порядка /3. В результате процесса комбинационного рассеяния квант падающего излучения накачки с частотой ли, на выходе из среды преобразуется в свет с частотой hvs, а разность между этими двумя энергиями hvR=hvp-hvs расходуется на возбуждение фононов или квазимолекулярных колебаний среды. Частоту vs, которая меньше частоты падающего излучения на величину колебательного кванта щ, называют Стоксовой частотой. Если первоначально система находилась в некотором возбужденном состоянии, то в процессе комбинационного рассеяния возможен переход из возбужденного состояния вниз, с излучением частот больших, чем частота падающего света, называемых анти-Стоксовыми.
В процессе вынужденного комбинационного рассеяния интенсивное излучение лазера накачки с частотой vp возбуждает молекулу из нижнего энергетического состояния в состояние с большей энергией. При этом излучение Стоксовой частоты v, при прохождении через среду будет усиливаться, а энергия излучения накачки будет падать. Такой процесс имеет типичные лазерные характеристики: пороговое значение энергии накачки, экспоненциальное усиление и узкую ширину линии [45].
Для постоянного поля накачки поле Стоксовой частоты при прохождении через среду растет экспоненциально как [34]: ад=ад - где gs - коэффициент усиления, а / - длина активной среды. Коэффициент усиления g, может быть выражен через величину сечения спонтанного Рамановского рассеяния dc/dOnax. [34,46]: _ Ap%N(da/dQ)Ip где Xp, X, -длина волны накачки и Стоксова излучения соответственно, 1Р -интенсивность накачки, ns - показатель преломления для Стоксовой частоты, N - число молекул, &AVR- полная ширина Рамановской линии на полувысоте. Из этого уравнения следует, что усиление Рамановской среды за один проход пропорционально интенсивности излучения накачки, сечению спонтанного Рамановского рассеяния активной среды и ее длине. За пороговое значение генерации Рамановского лазера обычно принимают величину, когда выходная интенсивность на длине волны Стоксова излучения достигает порядка 1% интенсивности излучения накачки [46]. Максимальная теоретически возможная эффективность преобразования Рамановского лазера равна r)max= (vp-VR)/Vp
В экспериментах по сдвигу длины волны излучения неодимовых лазеров в область 1.5 мкм нами использовался кристалл Ba(NCb)2 длиной 50 мм. Поскольку предварительно (см. Приложение 1) нами были исследованы и оптимизированы лазеры с длиной волны излучения 1.3 мкм с пассивной модуляцией добротности кристаллами SrF2:Nd2+, представляет интерес исследование Ba(NCh)2 ВКР лазера с накачкой таким лазером. В . эксперименте использовался лазер на кристалле YAG:Nd в резонаторе длиной 490 мм, образованном сферическим концевым зеркалом с радиусом кривизны 500 мм и коэффициентом отражения на длине волны генерации Ri.3=99.6% и выходным плоским зеркалом с коэффициентом отражения Ru=47%. Как видно из параметров, резонатор был близок к сферическому, что вызвано необходимостью создания достаточно узких перетяжек в области пассивного затвора (см. Приложение 1). Активный элемент YAG:Nd был расположен вблизи сферического зеркала, где диаметр моды максимален, а кристаллический пассивный затвор SrF2:Nd2+ - вблизи выходного зеркала. Лазер генерировал излучение одной поперечной моды с длиной волны 1.338 мкм с энергией выходного импульса 4.5 мДж и длительностью 70 не. Выходное зеркало лазера накачки служило одновременно концевым зеркалом для Рамановского лазера, поскольку его пропускание на длине волны 1.54 мкм не превышало Ті.54=3%. В качестве выходного зеркала использовалось сферическое зеркало с радиусом кривизны 1500 мм и коэффициентом отражения Ri.54=80% на длине волны 1.54 мкм. ВКР лазер на кристалле Ba(NOs)2 генерировал излучение моды ТЕМоо с длиной волны 1.556 мкм, энергией импульса 1 мДж и длительностью 10-15 не. Таким образом, эффективность преобразования излучения накачки (Х=1.3 мкм) в излучение генерации (А,=1.55б мкм) ВКР лазера составила 20%.
Эффективность преобразования может быть повышена при использовании внутрирезонаторной схемы накачки кристаллического ВКР лазера. Однако, кристаллы SrF2:Nd2+ обладают существенным поглощением на длине волны 1.5 мкм, что ограничивает их применение при внутрирезонаторной генерации излучения 1.5 мкм. Поэтому, для экспериментов по внутрирезонаторной накачке Рамановского лазера в качестве пассивного затвора был использован кристалл V +: YAG, обладающий высокой прозрачностью на длине волны 1.5 мкм и насыщающимся поглощением на длине волны 1.3 мкм. Резонатор лазера накачки остался неизменным, за исключением того, что выходное плоское зеркало было заменено на зеркало с коэффициентом отражения на длине волны накачки Ri.3=99.6% и пропусканием на длине волны первого Стокса Ті.54=70%. В качестве концевого зеркала ВКР лазера использовалось дополнительное зеркало с коэффициентом отражения на длине волны генерации ВКР лазера Ri.j4=99% и пропусканием на длине волны накачки Ті.з=99.2%, установленное внутри резонатора 1.3 мкм лазера. В такой конфигурации лазер накачки мог генерировать излучение одновременно на двух длинах волн 1.318 мкм и 1.338 мкм. С оптимальным выходным зеркалом выходная энергия одномодового лазера накачки на длине волны 1.3 мкм составила 1.8 мДж. Уменьшение выходной энергии лазера по сравнению с лазером, где в качестве затвора использовался кристалл SrF2:Nd2+, вызвано более высоким начальным пропусканием затвора V+:YAG, что приводит к снижению порога генерации моноимпульса в режиме модуляции добротности. Выходное излучение ВКР лазера также содержало две компоненты с длинами волн 1.530 мкм и 1.556 мкм. Выходная энергия ВКР лазера с внутрирезонаторным сдвигом длины волны генерации составила 1.5 мДж при длительности импульса 10-12 не. Как видно из полученного результата эффективность преобразования для внутрирезонаторной схемы составила порядка 83%, что очень близко к теоретическому пределу (86%). На Рис. 42 представлены временные параметры импульсов накачки и генерации с длинами волн соответственно Х,=1.3 мкм и А=1.5 мкм.
Сенсибилизация люминесценции ионов эрбия и гольмия ионами четырехвалентного хрома в кристалле ортосиликата иттрия (Y2Si05)
Существующий интерес к твердотельным лазерам полутора- и двухмикронного диапазонов на основе рабочих ионов эрбия и гольмия в кристаллах и стеклах стимулирует поиск новых сред и сенсибилизационных схем для получения эффективной лазерной генерации. Интерес с этой точки зрения представляют кристаллы ортосиликата иттрия (Y2SiC»5), обладающие рядом параметров, делающих их перспективными с точки зрения
применеия в качестве активной среды для эрбиевых и гольмиевых лазеров. Благодаря относительно большому минимально возможному расстоянию между редкоземельными ионами (-0,5 нм [51]) в кристалле YjSiOs интенсивность процессов up-конверсии и кросс-релаксации, ограничивающих эффективность полуторамикронного перехода ионов эрбия и двухмикронного перехода ионов гольмия, невелика, что, в сочетании со сравнительно большой энергией характерного фонона, способствует эффективному заселению самого нижнего возбужденного состояния редкоземельного иона в результате быстрой безызлучательной релаксации с вышележащих уровней.
Применительно к ионам эрбия и гольмия, наиболее изученными являются сенсибилизационные схемы с использованием в качестве донорных ионов трехвалентного хрома [52]. Однако, отличительной особенностью кристаллов Y2SiOs, активированных ионами хрома является то, что хром замещает четырехвалентные катионы кремния в позициях с тетраэдрическои координацией и входит в кристалл в четырехвалентном зарядовом состоянии. Соответствующая этому состоянию электронная конфигурация 3d2 определяет спектрально-люминесцентные свойства кристаллов Y2SiOj.Cr4+ [53].
Спектр поглощения кристалла Y2SiOs:Cr4+ имеет две широкие полосы с максимумами в области 600 и 800 нм, которые обусловлены переходами 3А2-3Т2 и 3A2 3Tj соответственно. Широкополосная люминесценция четырехвалентных ионов хрома в области 1,1-1,6 мкм обусловлена электронными переходами 3Е (3Т2)-3А2.
Исследовались образцы кристаллов Y2Si05:Cr4+ (концентрация хрома З.ЗхЮ19 см"3), Y2Si05:Ho3+ (концентрация гольмия 9.8х1019 см"3), Y2SiOs:Ho,Cr (концентрация гольмия 9.8х1019 см"3, хрома 1.5х1019 см"3), УгЗіОзіЕг3"1" (концентрация эрбия 2.4х1020 см"3) и Y2SiOj:Er,Cr (концентрация эрбия 2.4х1020 см"3, хрома 0.9х1019 см"3) вырезанные в виде прямоугольных параллелепипедов с ребрами, ориентированными вдоль кристаллографических осей. Люминесценция кристаллов возбуждалась излучением непрерывного YAG:Nd лазера с длиной волны 1.064 мкм. Излучение люминесценции диспергировалось двухрешеточным монохроматором спектрометра СДЛ-1 или однорешеточным монохроматором спектрометра ИКС-29 и регистрировалось охлаждаемым жидким азотом PbS фотосопротивлением. Неполяризованные спектры люминесценции записывались в цифровом виде и корректировались на спектральную чувствительность системы регистрации. Кинетика затухания люминесценции регистрировались при возбуждении кристаллов излучением импульсного YAG:Nd лазера с модуляцией добротности (хи=15 не), с помощью фотоэлектронного умножителя с кислородно-серебряно-цезиевым катодом с длинноволновой границей спектральной чувствительности до 1.2 мкм. Исследования проводились при комнатной температуре (Т=300 К) и температуре жидкого азота (Т=77К).
Спектры поглощения кристаллов Y2SiOj:Er,Cr и Y2Si05.Ho,Cr в диапазоне длин волн 0.34-1.7 мкм приведены на Рис. 52. Вместе со спектром поглощения кристалла Y2SiOs:Er,Cr приведен спектр люминесценции ионов Сг4"1", который имеет максимум на длине волны 1250 нм и ширину контура на полувысоте -250 нм. Из приведенного рисунка видно, что спектр люминесценции четырехвалентных ионов хрома перекрывается с линиями поглощения ионов эрбия на переходе 4Ii5/2" l3/2 ( .=1450-1600 нм) и ионов гольмия на переходе 41б 51б- Это создает необходимые условия для излучательной и безызлучательной передачи энергии от ионов Сг4"1" к ионам эрбия и гольмия.
Исследование спектров люминесценции кристаллов Y2SiOj:Ho и УгБіОзіЕг соответственно на переходах 5l7"5Ig и 4Іі5/2 4ІЦ/2 ПРИ возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм, попадающего в длинноволновый край полосы поглощения ионов Сг4 показало, что при температуре жидкого азота (77К) люминесценция ионов гольмия и эрбия возбуждается только в соактивированных хромом кристаллах. При комнатной температуре (300К) в несоактивиро ванных кристаллах наблюдается слабая люминесценция редкоземельных ионов, связанная с поглощением возбуждающего излучения с длиной волны 1.064 мкм электронно-колебательными крыльями переходов 4Ig-5l6 и 4Іц/2-4їіз/2 ионов гольмия и эрбия соответственно. Спектры люминесценции исследованных кристаллов при температуре 300К и 77К приведены на Рис. 53. Необходимо отметить, что в спектре люминесценции ионов Сг4"1" в кристалле Y2Si05 Ho,Cr наблюдается искажение в области полос поглощения ионов гольмия, а интегральная интенсивность люминесценции ионов Но3+ увеличена в этом кристалле в 9 раз по сравнению с несоактивированным кристаллом. В кристалле YSO:Er,Cr люминесценция ионов Сг4"1" практически полностью потушена, а интегральная интенсивность люминесценции ионов эрбия в 5 раз выше, чем в случае, когда соактивация ионами четырехвалентного хрома отсутствует.
Для определения механизма передачи энергии от ионов Сг44" к ионам гольмия и эрбия была исследована кинетика затухания люминесценции донорных ионов Сг4" " в кристаллах. Сигнал люминесценции регистрировался на длине волны 1160 нм. Кривые затухания люминесценции ионов Сг4"1" в кристаллах Y2SiOj:Cr4+ и Y2SiOs:Er,Cr при температуре 77К приведены на Рис. 54. Для кристалла Y2SiOs:Cr4+ зависимость сигнала затухания люминесценции от времени близка к экспоненциальной с постоянной времени затухания равной 11.1 ± 0.5 мкс. В соактивированном кристалле кинетика становится существенно неэкспоненциальной с заметным ускорением процесса распада, что свидетельствует о безызлучательном характере переноса энергии от ионов Сг44" к ионам эрбия при температуре жидкого азота.
Похожие диссертации на Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона
