Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1 Твердотельные лазеры, излучающие в среднем инфракрасном диапазоне спектра 8
1.1.2 Твердотельные лазеры на основе кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов 16
1.2 Пассивные модуляторы добротности 19
1.3. Кристалл ZnSe, легированный ионами Fe 26
1.4 Методы выращивания и легирования кристаллов 35
1.4.1 Метод выращивания кристалла Fe2+:ZnSe, исследуемого в работе 38
1.5 Методы высокочувствительной абсорбционной спектроскопии 41
2 Характеристики лазера на кристалле Fe :ZnSe при температурах 85-255 К 58
2.1 Описание экспериментальной установки 59
2.2 Генерационные характеристики 69
2.3 Спектральные характеристики 73
2.4 Характеристики Fe rZnSe-лазера при охлаждении активного элемента с помощью термомодуля 76
2.5 Заключение 79
3 Использование кристалла Fe :ZnSe в качестве пассивного затвора для модуляции добротности резонатора ErrYAG-лазера 80
3.1 Численное моделирование 81
3.2 Схема установки 88
3.3 Результаты и их обсуждение 90
3.4 Заключение 94
4 Характеристики лазера на кристалле Fe :ZnSe при комнатной температуре активного элемента 95
4.1 Схема экспериментальной установки 96
4.2 Генерационные и спектральные характеристики Fe :ZnSe^a3epa 99
4.3 Измерение времени затухания люминесценции уровня 5Т2 иона Fe2+ в матрице ZnSe при комнатной температуре 102
4.4 Заключение 105
5 Генерация Fe rZnSe-лазера в непрерывном режиме 106
5.1 Экспериментальная установка 107
5.2 Результаты и их обработка 110
5.3 Заключение 113
6 Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия (ВРЛС) на основе лазера на кристалле Fe2+:ZnSe 114
6.1 Схема установки для исследования спектральной динамики Fe2+:ZnSe^a3epa с поглотителем внутри резонатора 115
6.1.1 Расчет температуры некритичного коллинеарного 90-градусного оое-синхронизма в кристалле LiNbC>3 119
6.1.2 Схема для регистрации спектральной динамики 122
6.2 Полученные результаты 125
6.3 Заключение 129
Заключение 130
Список определений, обозначений и сокращений 134
Публикации по теме диссертации 135
Список литературы 137
- Пассивные модуляторы добротности
- Характеристики Fe rZnSe-лазера при охлаждении активного элемента с помощью термомодуля
- Генерационные и спектральные характеристики Fe :ZnSe^a3epa
- Расчет температуры некритичного коллинеарного 90-градусного оое-синхронизма в кристалле LiNbC>3
Введение к работе
В настоящее время лазеры нашли широкое применение в промышленности, медицине, телекоммуникациях. Для некоторых приложений используются лазеры на основе активных сред, обладающих широким контуром усиления, позволяющих плавно перестраивать длину волны генерации. В видимой области спектра для этих задач используют лазеры на растворах красителей. Они обладают высоким КПД и большим диапазоном перестройки длины волны. В инфракрасной (ИК) области спектра расположены сильные линии поглощения многих молекул, обусловленные колебательно-вращательными переходами, поэтому применение лазеров с длиной волны генерации в ИК диапазоне позволяет повысить чувствительность методов спектрального анализа и успешно применять такие лазеры в науке и технике, например, для исследования кинетики химических реакций, экологического мониторинга атмосферы, в медицине и т.д.
В последние годы активно ведется поиск и исследование таких лазерных сред для диапазона 2-5 мкм. Одними из наиболее перспективных кандидатов на эту роль являются кристаллы на основе халькогенидов (ZnS, ZnSe и др.), легированные двухвалентными ионами переходных металлов (Cr, Ni, Fe и др.) [1]. Наиболее исследованным из этой группы является кристалл Cr :ZnSe. При использовании активных элементов лазеров, изготовленных из кристаллов Cr2+:ZnSe, была получена эффективная генерация в непрерывном и импульсном режимах, продемонстрирована возможность перестройки в широком спектральном диапазоне (1.88-3.10 мкм) [2, 3]. Кроме того, продемонстрирована генерация в лазерах на кристаллах ZnS, ZnSe, , , CdSe, легированных ионами Сг2+ [2, 4], и в кристалле ZnSe, легированном ионами Fe2+ [5, 6]. Последний из перечисленных кристаллов особенно интересен тем, что его область люминесценции смещена в красную область спектра дальше остальных, на которых была получена генерация. К сожалению, дифференциальный КПД по поглощенной энергии и максимальная энергия генерации Fe2+:ZnSe^a3epa, полученные в работе [5], были небольшими и существенно уступали по величине аналогичным параметрам Cr2+:ZnSe-лазера. Генерация возникала при охлаждении активного элемента до температур в диапазоне от 15 до 180 К.
Кристалл Fe :ZnSe, используемый в работе [5] в качестве активного элемента, был выращен методом Бриджмена. Тем не менее, известно, что кристаллы, выращенные из паровой фазы, обладают большей оптической однородностью, меньшими потерями и более высокими лазерными характеристиками [7]. Поэтому для получения высоких КПД и максимальной энергии в импульсе перспективно в качестве активного элемента
использовать кристалл, полученный из паровой фазы с одновременным легированием ионами Fe2+ в' процессе роста. В наших исследованиях лазерных характеристик
9+
использовались монокристаллы Fe :ZnSe, выращенные из паровой фазы с одновременным легированием по уникальной технологии, разработанной в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) [8].
Кристаллы халькогенидов, легированные ионами переходных металлов, обладают широкой полосой поглощения и достаточно большим сечением поглощения для успешного использования в качестве твердотельных затворов для пассивной модуляции добротности резонаторов лазеров с длиной волны генерации в среднем инфракрасном спектральном диапазоне. Кристалл Fe :ZnSe при комнатной температуре может использоваться как затвор в резонаторах лазеров, работающих на длине волны вблизи 3 мкм.
Постановка задачи
Исследовать лазерные и спектральные характеристики кристалла Fe2+:ZnSe, выращенного из паровой фазы с одновременным легированием, при разных температурах активного элемента. Изучить возможность использования кристалла в качестве пассивного затвора для модуляции добротности резонатора лазера, излучающего на длине волны вблизи 3 мкм. Исследовать возможность применения Fe :ZnSe^a3epa в одном из чувствительных методов спектрального анализа — внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
Научная новизна
Впервые измерены лазерные характеристики кристалла Fe2+:ZnSe,
выращенного из паровой фазы с одновременным легированием.
Получен рекордный суммарный диапазон непрерывной перестройки по длине волны генерации в дисперсионном резонаторе для Fe2+:ZnSe-fla3epa. Длинноволновая граница при температуре активного элемента 295 К составила 5.05 мкм, а коротковолновая — 3.77 мкм (при температуре 85 К).
Впервые измерено время затухания люминесценции уровня 5Тг кристалла Fe2+:ZnSe при комнатной температуре.
Впервые кристалл Fe :ZnSe был успешно использован в качестве пассивного модулятора добротности резонатора Er:YAG лазера.
Впервые получена генерация на кристалле Fe2+:ZnSe в непрерывном режиме.
Продемонстрирована возможность использования Fe :ZnSe лазера в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС).
На защиту выносится
При использовании в качестве активного элемента лазера монокристалла Fe2+:ZnSe, выращенного из паровой фазы с одновременным легированием, по сравнению с активными элементами, изготовленными из кристаллов Fe :ZnSe, полученных в результате роста из расплава с необходимой лигатурой или роста из паровой фазы нелегированного кристалла ZnSe с последующей диффузией Fe в твердом теле через поверхность, достигаются режимы генерации излучения с более высоким дифференциальным КПД и более широким суммарным диапазоном плавной перестройки длины волны генерации в селективном резонаторе (3.77-4.40 мкм при температуре активного элемента 85 К и 3.95-5.05 мкм при 295 К).
Использование кристалла Fe2+:ZnSe в качестве просветляющегося поглотителя для модуляции добротности резонатора EnYAG-лазера позволяет реализовать режим генерации гигантских импульсов Ег:УАО-лазера и получать гигантские импульсы с энергией 27-30 мДж и длительностью 35 не.
Использование в качестве активного элемента лазера монокристалла Fe2+:ZnSe, выращенного из паровой фазы с одновременным легированием, позволяет реализовать режим непрерывной генерации излучения Fe :ZnSe^a3epa.
Метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии на основе Fe :ZnSe-лазера обеспечивает чувствительность регистрации слабых линий поглощения не хуже 4х'10"7 см-1.
Структура работы
Результаты работы представлены в виде введения, шести глав и заключения.
Во введении изложены постановка задачи и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен краткий обзор научных работ в областях, которые затронуты в этой диссертации, а также тех работ, на результаты которых опирается данная. В начале приводится сравнение разных видов лазеров. Далее сообщается о характеристиках, достигнутых для твердотельных лазеров на основе кристаллов халькогенидов, легированных двухвалентными ионами переходных металлов. В частности приводятся лазерные параметры кристалла Fe2+:ZnSe, выращенного методами, отличающимися от метода выращивания кристаллов Fe2+:ZnSe, исследуемых в настоящей работе. Далее приведена схема уровней кристалла Fe :ZnSe, которые участвуют в формировании инверсной населенности в активном элементе. Отдельное внимание
уделяется методикам выращивания кристаллов. В конце главы рассказано о методах активной и пассивной модуляции добротности резонаторов лазеров, пассивных затворах и кратко приведены достигнутые параметры генерации. Последний подраздел данной главы посвящен описанию различных методов высокочувствительной спектроскопии. Следует отметить, что для удобства анализа и сопоставления результатов данной работы с достигнутыми в других работах некоторые данные и графики (с указанием ссылок) приведены в соответствующих главах.
Во второй главе описана экспериментальная установка, позволяющая исследовать генерационные характеристики Fe2+:ZnSe^a3epa при охлаждении кристалла. Для температур активного элемента, лежащих в диапазоне 85-255 К, приведены графики зависимостей энергии генерации от поглощенной энергии накачки, дифференциальной эффективности и поглощенной пороговой энергии накачки от температуры. Результат
плавной перестройки длины волны генерации Fe :ZnSe^a3epa в дисперсионном резонаторе с помощью призмы и зависимость длины волны генерации в неселективном резонаторе от температуры представлены в виде графиков.
Третья глава посвящена применению кристалла Fe2+:ZnSe в качестве пассивного затвора для модуляции добротности резонатора EnYAG лазера. В ней представлены результаты численного моделирования динамики ЕггУАв-лазера с модулированной добротностью резонатора. Далее приведены энергии и длительности гигантских импульсов генерации, достигнутые экспериментально в данной работе.
Четвертая глава посвящена измерению лазерных характеристик кристалла
Fe^:ZnSe при комнатной температуре. Зависимость энергии генерации от поглощенной энергии накачки и кривая перестройки длины волны генерации с помощью призмы в резонаторе представлены в виде графиков.
Пятая глава посвящена экспериментальной демонстрации работы Fe2+:ZnSe^a3epa в режиме непрерывной генерации.
В шестой главе описано использование Fe2+:ZnSe^a3epa для решения задач метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Отдельное внимание уделено особенностям установки и методам обработки результатов. Результаты представлены в виде иллюстраций спектров, графиков и таблиц.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Пассивные модуляторы добротности
Лазеры с модулированной добротностью резонатора генерируют излучение в виде гигантских импульсов с большой пиковой мощностью и малой длительностью, применяющиеся для решения ряда научных и прикладных задач. Использование импульса малой длительности позволяет измерять характерные времена некоторых быстропротекающих процессов или получать высокую пиковую мощность при невысокой энергии лазерного импульса, что при воздействии на объект позволяет достигнуть необходимого результата и при этом избежать чрезмерного нагрева образца в целом. Например, это очень важно при обработке материалов или для достижения нелинейных оптических эффектов в кристаллах. В стоматологии повышение температуры тканей зуба приводит к его разрушению, поэтому предпочтительно воздействие только на эмаль и кариозноизмененные ткани зуба без нагрева более глубоких слоев. В частности, существуют перспективы использования Ег:УАО-лазера с модулированной добротностью резонатора, исследуемого в данной работе, в качестве инструмента для микрохирургии глаза [59]. Модуляции добротности резонатора лазера осуществляется при помощи активного или пассивного модулятора, расположенного внутри резонатора. Этот модулятор снижает добротность резонатора лазера, внося дополнительные потери излучения в течение некоторого времени.
Для активного модулятора переключение происходит в помощью внешнего электрического или механического воздействия. Пассивный модулятор «просветляется» (т.е. увеличивается его коэффициент пропускания) под воздействием излучения генерации в резонаторе. В науке и технике для многих задач широко используются лазеры с активной и пассивной модуляцией добротности резонатора (active and passive Q-switched lasers). Рассмотрим подробнее принципы работы этого типа лазеров. В лазере генерация возникает в случае, если усиление за один проход излучения в резонаторе превышает потери. Уменьшение населенности верхнего лазерного уровня происходит за счет вынужденного излучения. При этом число когерентных фотонов, появляющихся в единице объема активной среды в единицу времени, пропорционально плотности потока фотонов и разности населенностей согласно формуле [60]: где F = — плотность потока фотонов в среде (число фотонов, проходящих через единицу hv площади в единицу времени); NB - NH — разность населенностей верхнего и нижнего лазерных уровней; т — сечение перехода; dz — приращение координаты по оси, вдоль которой распространяется излучение. Чтобы достичь высокой интенсивности необходимо, согласно формуле (1) увеличить значение разности NB-NH, т.е. «накопить» в возбужденном состоянии как можно большее число частиц. Это достигается за счет уменьшения плотности фотонов F с помощью поглотителя в резонаторе, создающего дополнительные потери, приводящие к искусственному снижению его добротности. За счет этого возникает задержка в развитии генерации, что приводит к образованию большей разности населенностей, чем без модулятора.
Согласно формуле (1.1), при этом увеличивается вероятность появления когерентного фотона в единице объема в единицу времени. Если при этих условиях быстро увеличить добротность резонатора, то это приведет к резкому возрастанию скорости развития генерации и к излучению всей накопленной энергии в виде гигантского импульса малой длительности. Таким образом, за счет модуляции по времени дополнительных потерь в резонаторе удается получать импульсы с длительностью порядка единиц и десятков наносекунд. В качестве активных модуляторов добротности (или «затворов») используются механические, электрооптические, магнитооптические и акустооптические устройства [60], пассивные затворы изготовляют на основе жидких или твердых насыщающихся поглотителей. Модуляция добротности резонатора лазера может осуществляться при помощи вращения одного из его зеркал (Мг) вокруг оси, перпендикулярной оптической оси резонатора (см. рисунок 1.3(a)) или за счет размещения внутри него ячейки (С), вносящей дополнительные потери излучения в резонаторе (см. рисунок 1.3(6)). Вращающееся зеркало является активным механическим модулятором добротности резонатора. Достаточно часто в качестве активных затворов используются электрооптические ячейки. Их принцип действия основан на эффектах Керра и Поккельса. Эффект Керра -это квадратичный электрооптический эффект, состоящий в возникновении двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (жидкостях, стеклах, кристаллах с центром симметрии) под воздействием однородного электрического поля. Эффект Поккельса наблюдается в кристаллах и является линейным по напряженности электрического поля. Электрооптический затвор состоит из источника высокого напряжения и ячейки (К), к которой оно подводится, размещенной между одним или двумя поляризаторами (Пі, Пг) (см. рисунок 1.4(a)). При некотором определенном напряжении слой вещества данной толщины начинает вести себя как пластинка У2 или А/4. Ориентируя поляроиды, можно добиться, чтобы потери были большими при включенном напряжении и малыми при выключенном или наоборот.
Это позволяет осуществлять модуляцию добротности резонатора. (Для случая — ставится только Пі без Иг. Свет, отраженный от зеркала резонатора, проходит через ячейку повторно и получает набег фазы между двумя компонентами равный —). Существенным достоинством данного метода является возможность изменять добротность быстро и контролируемо, т.е. в определенный момент времени. Но для реализации затвора для пучка большого диаметра потребуется использовать очень высокое напряжение. Для некоторых электрооптических ячеек на основе эффекта Поккельса возможно подобрать ориентацию кристалла таким образом, что необходимый эффект будет достигаться при воздействии постоянного электрического поля вдоль оси резонатора, что позволяет увеличивать диаметр затвора без существенного изменения напряжения.
Характеристики Fe rZnSe-лазера при охлаждении активного элемента с помощью термомодуля
В соответствии с полученными данными дифференциальный КПД (см. рисунок 2.12) и порог генерации (см. рисунок 2.13) Fe :ZnSe лазера не претерпевают существенных изменений при температурах от 85 К вплоть до 220 К, и начинают значительно уменьшаться и увеличиваться (соответственно) только при нагревании до температур свыше 220 К. Использование для охлаждения жидкого азота или хладоагента существенно осложняет эксплуатацию лазера. Однако температура 220 К может быть легко достигнута с помощью двухступенчатого термоэлектрического охлаждающего модуля (работающего на эффекте Пельтье). Согласно полученным экспериментальным данным, ожидаемый дифференциальный КПД по поглощенной энергии при таком способе охлаждения должен составлять около 30%. Поэтому в настоящей работе были проведены исследования характеристик лазера с термоэлектрическим охлаждением кристалла. Для работы с термоэлектрическим охлаждающим модулем была сконструирована другая криогенная камера, корпус которой был изготовлен из дюралюминия.
Модуль располагался горизонтально на дне камеры так, что его тепловыделяющая поверхность находилась в тепловом контакте с массивным дном корпуса камеры при температуре, близкой к комнатной ( 300 К). Использовался двухступенчатый термомодуль (см. рисунок 2.18), температура теплопоглощающей поверхности которого в наших экспериментальных условиях, согласно паспортным данным, была близка к 220 К. Питание осуществлялось от внешнего источника тока. Провода прикреплялись к проволоке, заведенной внутрь камеры через вакуумное уплотнение. Кристалл располагался на верхней охлаждаемой поверхности термомодуля при температуре 220 К. Прямое измерение температуры активного элемента не производилось. Оптическая схема установки осталась прежней. Зависимость выходной энергии лазера от поглощенной энергии накачки, полученная при термоэлектрическом способе охлаждения кристалла двухступенчатым термомодулем, показана на рисунке 2.19. Максимальная выходная энергия лазера была 91 мДж при поглощенной энергии накачки 370 мДж (падающая энергия накачки 718 мДж). Дифференциальный КПД лазера по поглощенной энергии составил 30%. Представленные на рисунке 2.19 данные находятся в хорошем соответствии с данными, полученными нами при температуре 221 К при охлаждении кристалла этиловым спиртом (рисунок 2.11). Использовавшийся в данной работе лазерный элемент имел значительное пропускание на длине волны накачки, величина которого зависела от температуры. Измерения показали, что охлаждаемый термомодулем кристалл в режиме генерации пропускал 48% падающей энергии накачки. При высоком дифференциальном КПД по поглощенной энергии (30%), это существенно ограничивало дифференциальный КПД лазера по падающей энергии накачки, который составил 14.5%. Чтобы повысить эффективность использования падающей энергии, излучение, прошедшее через кристалл, было возвращено обратно в кристалл с помощью двух вспомогательных зеркал. Излучение накачки при втором проходе пересекало оптическую ось резонатора под углом 4 в центре кристалла.
Зависимость выходной энергии Fe2+:ZnS е-лазера от полной энергии накачки при двукратном прохождении излучения накачки через активный элемент представлена на рисунке 2.20. Более эффективное использование излучения накачки привело к росту выходной энергии лазера с термоэлектрическим охлаждением и позволило довести ее уровень до 142 мДж при падающей энергии накачки 746 мДж. Дифференциальный КПД лазера с термоэлектрическим охлаждением по отношению к падающей энергии накачки составил в этом случае 21%. Оптимизация лазерного резонатора (подбор оптимального коэффициента отражения выходного зеркала, устранение внутрирезонаторных потерь на окнах камеры, лучшее согласование областей накачки и генерации), возможно, позволит достигнуть еще 2+. более высоких параметров Fez :ZnSe -лазера. В настоящей работе исследована генерация Fe пве-лазера в диапазоне температур активного элемента 85-255 К. При увеличении температуры дифференциальный КПД лазера по поглощенной энергии снижался от 43% (85 К) до 9% (255 К), а его спектр генерации смещался соответственно от 4.0 до 4.17 мкм. Полученные значения энергии генерации Fe :ZnSe -лазера на четыре порядка, а дифференциального КПД более чем в пять раз превышают значения, полученные в работе [5]. Впервые была реализована генерация Fe:ZnSe a3epa при охлаждении кристалла термоэлектрическим элементом. В этом случае дифференциальный КПД лазера по поглощенной энергии составил 30%. Показано, что КПД лазера по отношению к падающей энергии накачки при термоэлектрическом охлаждении кристалла может превышать 20%. При охлаждении активного элемента до температуры 85 К в дисперсионном резонаторе с призмой реализована плавная перестройка спектра генерации Fe2+:ZnSe-лазера в диапазоне 3.77-4.40 мкм.
Генерационные и спектральные характеристики Fe :ZnSe^a3epa
На рисунке 4.3 представлена зависимость выходной энергии лазера от поглощенной энергии накачки, полученная без призмы в резонаторе. Максимальная энергия генерации составила в этом случае 0.37 мДж. Через представленные на рисунке 4.3 экспериментальные точки методом наименьших квадратов была проведена прямая линия, с помощью которой были определены дифференциальный КПД лазера по поглощенной энергии накачки 13% и величина пороговой поглощенной энергии накачки 1.4 мДж. Спектр генерации лазера имел в этом случае ширину 0.1 мкм с центром на длине волны 4.4 мкм. Осциллограммы импульсов накачки и генерации при падающих на кристалл энергиях накачки 8.3 и 4.2 мДж представлены на рисунке 4.4 (соответственно а и б). При высоких уровнях накачки передний фронт импульса генерации был задержан относительно вершины импульса накачки на 20-30 не, а его длительность не превышала 40 не. При снижении энергии накачки длительность импульса генерации увеличивалась и вблизи порога составляла 60 не, а задержка возрастала до 200 не. На рисунке 4.5 показана кривая спектральной перестройки Fe :гп8е-лазера при работе с дисперсионной призмой в резонаторе.
Ширина спектра лазера с дисперсионным резонатором была 0.05 мкм. Область перестройки охватывала спектральный диапазон 3.95-5.05 мкм и на коротковолновом участке, вероятно, была ограничена выходным зеркалом, пропускание которого резко возрастало для длин волн, короче 4.2 мкм (см. рисунок 4.2). Резонатор лазера не изолировался от атмосферного воздуха, поэтому излучение в резонаторе частично поглощалось атмосферными газами, что приводило к уменьшению выходной энергии генерации лазера. В частности, провал, наблюдающийся на кривой в диапазоне 4.2-4.3 мкм, обусловлен поглощением атмосферного углекислого газа [104]. Как уже отмечалось выше, необходимость использования коротких импульсов для достижения лазерной генерации в кристалле Fe :ZnSe при комнатной температуре обусловлена высокой скоростью безызлучательной релаксации верхнего лазерного уровня. Однако в литературе отсутствуют экспериментальные данные о времени затухания люминесценции уровня 5Тг иона Fe2+ в матрице ZnSe при комнатной температуре. Поэтому в настоящей работе мы измерили время затухания люминесценции Оптическая схема установки представлена на рисунке 4.6. В данном эксперименте возбуждение кристалла также осуществлялось лазерными импульсами с длиной волны 2.9364 мкм. Длительность импульса контролировалась с помощью фотоприемника Фі и составляла 60 не. Энергия возбуждающих импульсов была 7-8 мДж. Кристалл Fe :ZnSe был установлен вне лазерного резонатора. Сигнал люминесценции кристалла регистрировался в перпендикулярном по отношению к возбуждающему пучку направлении с помощью фотоприемника Фг, установленного вблизи кристалла, и записывался осциллографом Tektronix TDS 1012. (Оцифрованный сигнал записывался с помощью осциллографа Tektronix TDS 3052В). Рассеянное излучение возбуждающего импульса ослаблялось более чем на 4 порядка с помощью оптического фильтра, образованного из двух зеркал, имевших коэффициент отражения более 99% для 3-х микронной области спектра и пропускавших более 50% в спектральной области люминесценции кристалла. Характерные осциллограммы возбуждающего импульса и сигнала люминесценции представлены на рисунке 4.7. Для обработки использовалась часть сигнала люминесценции после прекращения возбуждающего импульса (на рисунке 4.7 диапазон отмечен горизонтальной стрелкой).
Зависимость от времени имела характерный вид экспоненты с затуханием. В логарифмическом масштабе (см. рисунок 4.8) по наклону прямой была измерена постоянная времени. Обработка всех полученных данных показала, что при температуре кристалла 295 К затухание люминесценции происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени 370±25 не. 1000 В данной работе измерено время затухания люминесценции уровня 5Тг иона Fe2+ в матрице ZnSe при комнатной температуре. Этот результат представлен на рисунке 4.9 совместно с данными из работы [5] для диапазона температур от 120 К до 240 К, для которых время затухания люминесценции уровня уменьшается с увеличением температуры (см. рисунок 1.11). Сплошная линия является аппроксимацией этих точек в соответствии с теоретической зависимостью времени затухания люминесценции т от температуры Т, выражающейся формулой (см., например, [173]): (4.1) где излуч и тбезызлуч — времена, характеризующие скорость излучательных и безызлучательных процессов; АЕа — разность энергий: энергии, соответствующей точке пересечения потенциальных кривых для уровней 5Т2 и 5Е, и энергии, соответствующей минимуму кривой уровня 5Т2 (см. рисунок 1.9).
Расчет температуры некритичного коллинеарного 90-градусного оое-синхронизма в кристалле LiNbC>3
В данной работе регистрация спектров излучения производилась с помощью дифракционного спектрографа, светочувствительным элементом которого являлся многоканальный анализатор спектра на основе ПЗС-линейки. Поскольку область чувствительности ПЗС-линейки „ находилась в видимом диапазоне спектра-(длинноволновая граница «ПООнм), то предварительно излучение Fe2+:ZnSe-na3epa преобразовывалось в ее диапазон чувствительности в нелинейном кристалле LiNbCb при сложении частоты излучения Fe2+:ZnSe a3epa с частотой излучения стабилизированного узкополосного NdiYAG-лазера. Это достигалось за счет скалярного (коллинеарного) некритичного 90-градусного оое-синхронизма (см. формулы 6.1, 6.2), достигавшегося при температуре около 530С. Этот метод, в частности, использовался в работе [141] для преобразования в кристалле LiNbCb линий ртутной лампы, лежащих в инфракрасной области спектра вблизи 1.7 мкм, в «зеленый» диапазон спектра с помощью излучения рубинового лазера. Здесь используются обозначения: со, - частота излучения Fe2+:ZnSe a3epa, со2 — частота излучения стабилизированного узкополосного NdiYAG-лазера, со3 - суммарная частота, которая регистрируется спектрографом, к, А:2 - модули волновых векторов соответственно для частот со{ и сог в кристалле (обыкновенная волна), кеъ — модуль волнового вектора для частоты соъ в кристалле (необыкновенная волна), со и Л, значения частоты и длины волны для монохроматической световой волны. При изменении длины волны света в среде за счет нелинейных эффектов должен выполняться закон сохранения энергии кванта света (6.1).
Для эффективного преобразования необходимо выполнение условия синхронизма (6.2), которое в общем виде записывается как векторное равенство. Формулы (6.1) и (6.2) могли бы выполняться одновременно, если все три волны распространялись в среде в одном направлении и показатель преломления вещества и(Я) не зависел от длины волны. Поэтому, чтобы выполнялось условие синхронизма для трех рассматриваемых волн, используют двулучепреломляющие кристаллы. Их показатель преломления зависит не только от длины волны, но и от поляризации света, а для необыкновенной волны еще от угла между волновым вектором ке и осью кристалла (угол вс на рисунке 6.4). В схеме, приведенной на рисунке 6.4, показана идея достижения условия скалярного синхронизма для двух экспериментов: генерация второй гармоники (рисунок 6.4(a)) и сложение частот двух лазеров (рисунок 6.4(6)). Ось г совпадает с оптической осью кристалла. Круговые и эллиптические кривые отражают зависимость к, &2 и К от направления распространения волны в кристалле. Луч, проведенный из начала координат в точку пересечения кривых, соответствующих к + кг и к\, определяет направление распространения световой волны, для которого выполняется условие (6.2). Угол вс между осью z и этим лучом в наших экспериментах был равен 90. Длина волны для суммарной частоты сог, рассчитанная по формулам (6.1 и 6.3), равнялась 0.84 мкм. Предварительная численная оценка температуры синхронизма производилась с использованием эмпирической зависимости [156] показателя преломления от температуры для LiNbCb: В формулах (6.4 и 6.5) длина волны X в нанометрах, а температура Т в Кельвинах. Графики зависимости к + кг и Ц (в мкм"1) от температуры приведены на рисунке 6.5. Соотношение (6.2) выполняется при температуре Т — 533С.
Для достижения необходимой температуры нелинейный кристалл располагался внутри кварцевой трубки с намотанным на ее поверхность нагревательным элементом. Температура измерялась с помощью термопары хромель-алюмель, свободный спай которой находился при температуре 23С, а второй контактировал с металлической оправкой нелинейного кристалла. Требуемое значение температуры должно достигаться при напряжении на концах термопары 21.05-21.09 мВ [156]. Совмещение пучков излучения от Fe2+:ZnSe -лазера (ю,) и от Nd:YAG-лазера (а 2) осуществлялось с помощью дихроичного зеркала З4 (см. рисунок 6.1) с коэффициентом отражения в окрестности длины волны 4.1 мкм близким к 100% и прозрачного для длины волны 1.064 мкм. Излучение этих лазеров фокусировалось линзами Лі и Лг так, что обе перетяжки пучков совпадали внутри кристалла ниобата лития. На выходе из кристалла был расположен светофильтр, пропускавший излучение с частотой а 3, ослабляющий излучение Nd:YAG-na3epa с частотой со2 в 10 раз и поглощающий излучение Fe .ZnSe-лазера с частотой сох. Далее излучение фокусировалось линзой Лз на входную щель дифракционного спектрографа. С помощью схемы синхронизации осуществлялась регулировка задержки импульса NdiYAG-лазера относительно момента запуска лазера накачки. Это позволяло записывать спектральное распределение излучения Fe2+:ZnSe-лазера в любой момент времени его генерации и наблюдать развитие спектров внутрирезонаторного поглощения во времени. Время задержки t отсчитывалось от переднего фронта импульса генерации Fe iZnSe-лазера до переднего фронта импульса Nd:YAG-лазера (см. рисунок 6.2). Для измерения спектральных характеристик излучения лазеров использовался дифракционный спектрограф, схема которого изображена на рисунке 6.6.
Для создания плоскопараллельного пучка лучей в качестве точечного источника использовалась входная щель, размещенная в фокусе стеклянного объектива. Фокусное расстояние конденсора — линзы Лз (см. рисунки 6.1, 6.6) подбиралось таким образом, чтобы спектрограф был оптимально заполнен светом, т.е. отношение диаметра пучка излучения, попадающего на конденсор, к его фокусному расстоянию приблизительно равнялось отношению диаметра объектива к фокусному расстоянию объектива. Спектрограф работал по автоколлимационной схеме с отражательной дифракционной решёткой 100 штрихов/мм с размером нарезанной части 150 мм, работающей в 17-м порядке под углом 64.7 для излучения Ш:УАО-лазера (Л2 = 1.06 мкм) и в 21-м порядке под углом 62.5 для преобразованного с помощью кристалла LiNbCh излучения Fe -.ZnSe-лазера (Я3 =0.84 мкм). После дифракции на решетке излучение с помощью объектива фокусировалось на ПЗС линейку, соединенную с компьютером. Объектив имел фокусное расстояние 1300 мм. При указанных параметрах обратная линейная дисперсия спектрографа составляла соответственно 0.193 нм/мм для Я2 т 1.06 мкм и 0.169 нм/мм для Я3 = 0.84 мкм. ПЗС-линейка содержала 3700 элементов, каждый из которых представлял собой площадку размерами 8 200 мкм, и устанавливалась по направлению дисперсии спектрографа. Дисперсия на ПЗС-линейке для излучения Ш:УАО-лазера и дисперсия, приведённая к излучению Fe пБе-лазера, составляли соответственно 0.0136 см" /элемент и 0.0189 см" /элемент. Экспериментально измеренная ширина линии NdrYAG-лазера (при ширине входной щели спектрографа равной 22 мкм чуть меньше нормальной — 23 мкм) составляла 4 «пиксела», что соответствует примерно 0.05 см" . Теоретическое разрешение спектрографа для длины волны Я3 = 0.84 мкм (при работе с нормальной шириной входной щели равной 18 мкм) составляло 0.043 см"1. Считывание спектров с ПЗС-линейки, их усреднение и последующая обработка проводились при помощи компьютера.
