Введение к работе
1. Импульсные твердотельные лазеры на неодиме (длина волны гене-ации 1.06 мкм) находят широкое применение в различых областях на-іи и техники. Поскольку большая доля физических процессов в оп-іке. Фотобиологии, фотохимии ДбіИі в ыаносекундном диапазоне дли-зльностей, особенно актуальным стало исследование режима модуляции эбротности неодимовых лазеров. Имеются два метода осуществления інного режима - методы активной и пассивной модуляции добротности ІМД) резонатора. Важным преимуществом последнего является простота эализации: установка пассивного' затвора с надлежащими характерис-іками в резонатор лазера автоматически переводит его в режим гене-щии гигантских импульсов.
В последнее время прилагаются усилия для разработки новых, более ідєжньіх и "технологичных" пассивных лазерных затворов (ПЛЗ), в том іслє и на длину волны 1.06 мкм. Под технологичностью обычно пони-нот высокий контраст затвора (соотношение резонансных и пассивных )терь), стабильность свойств затвора к излучению генерации лазера, ісокие термооптические характеристики (возможность использования ітвора при больших частотах повторения импульсов и больших средних іщностях генерации), а также минимально возможные размеры.
Качественным скачком в технике ПМД неодимовых лазеров стало соз-шие в середине 70-х годов кристаллических пассивных затворов, в ірвую очередь - кристаллов LiF с F„ центрами окраски (далее - F„ ') [1>2]. Эти затворы обладают высоким контрастом, хорошими термо-[тическими и механическими свойствами, довольно высокой стабиль->стью физических свойств. Важным представляется и возможность іеньшения габаритов твердотельных ПЛЗ. Дальнейшим шагом по миними-
зации размеров кристаллических затворов для неодимовых лазеров явилось создание кристаллов со структурой граната (ИАГ, ГСГГ) с фотот-ропными центрами Сг (далее - ФТЦ Сг ) [3,4] и, совсем недавно,
3+
кристаллов ИАГ:У [5]. Значительное увеличение допустимых концентраций примесных центров Сг и V , обеспечивающих насыщение поглощения на длине волны 1.06 мкм при небольших плотностях энергии падающего излучения, позволило практически на порядок (по сравнению с кристаллами LiF:F2) уменьшить размеры таких затворов. Последнее особенно важно при создании перспективных минилазеров.
2. Поскольку характеристики затворов оказывают существенное вли
яние на параметры лазеров, в которых они используются, ясно, что
исследование свойств ШІЗ является необходимым условием их успешного
применения. Несмотря на очевидность данного утверждения, системати
ческого изучения влияния свойств указанных выше кристаллов на осно
вные характеристики лазерного излучения проведено не было.
Что касается кристаллов LiF:Fl, в литературе имеются сведения о возможности повышения яркости излучения неодимовых лазеров с этими затворами [6], о свойстве кристаллов LiF:Fg селектировать поперечные моды лазера [7], а также о своеобразных поляризационных свойствах лазеров с затворами на LiF'-W^ [8]. Однако нигде в опубликованных работах не были выявлены причины указанных особенностей, да и сами эти исследования имели фрагментарный характер, а выводы, подчас, были попросту неоправданными [9].
Что касается кристаллов ИАГ с ФТЦ Сг + и V , необходимо отметить, что данные затворы были созданы совсем недавно, и детальное исследование их свойств - предмет ближайшего будущего (так, до сих пор идет дискуссия о природе ФТЦ Сг в кристаллах ИАГ [10,11]),.
3. Диссертация посвящена изучению свойств примесных кристаллов
LiF:F~, ИАГ:Сг и ИАГ:У . Основное внимание в ней уделено иссле-
.-5-
танию (і) анизотропии резонансного поглощения на стадии насыщения
ттоанизотропии нелинейного поглощения) и связанного с ней самоин-
щированного изменения состояния поляризации распространяющейся
грез кристалл волны (главы I и II), а также (іі) свойств лазеров с
13 на LiF:F2, связанных с необратимым разрушением FZ ЦО под дейст-
;єм излучения генерации с длиной волны 1.06 мкм (главы III и IV!.
Относительно первого блока необходимо заметить следующее. В ра-
іте [12] впервые было указано на возможность наблюдения самоинду-
ірованного изменения состояния поляризации резонансного излучения
>и насыщении поглощения. Однако основное внимание в этой и следу-
іих работах уделялось туннельным центрам, т.е. центрам, которые
ігут менять свою ориентацию в возбужденном состоянии и не могут
основном. Кроме того, везде в этих публикациях исследовался ста-
юнарный случай взаимодействия излучения с резонансной средой при-
!сных центров. Именно для таких центров и в указанном приближении
їли выполнены расчеты, и с центрами подобного типа проводились эк-
іериментіл. Главное-отличие данной диссертационной работы заключа-
ся в ином механизме создания анизотропного распределения коэффи-
іента резонансного поглощения в кристаллах LiF:F?) ИАГ:Сг и
3+
іГ-.V и в рассмотрении (теоретическом и экспериментальном), в ос-івном, нестационарного случая взаимодействия света с примесными інтрами.
Во втором блоке диссертации исследовано необратимое разрушение | ЦО в кристалле LiF под действием мощного излучения с длиной во-ы 1.06 мкм, а также его следствия. Как оказалось, именно это яв-ние, впервые обнаруженное нами, является причиной многих непонят-х до последнего времени свойств импульсных неодимовых лазеров с 3 на основе LiF:Fg. Было выяснено, что все основные характерис-<и таких лазеров (стабильность выходной энергии, спектр генера-
ции, состояние поляризации) так или иначе связаны с разрушением Fg ЦО при двухфотонном поглощении из возбужденного состояния излучением генерации с А~1.06 мкм. Систематическое исследование свойств лазеров на Kd-glass и Nd-ИАГ с ПЛЗ на основе кристаллов LiF-'Fg позволило нам обнаружить новые, неизвестные ранее, явления спектрального и поляризационного "коллапсов" излучения и предложить им объяснение.
Целью диссертационной работы было изучение нелинейных свойств твердотельных ПЛЗ на длину волны 1.06 мкм на основе примесных крис-
- 4+ 3+
таллов LiF:F2, ИАГ:Сг и ИАГ:У . Оно включало в себя:
-
исследование самоиндуцированной анизотропии резонансного поглощения и связанного с ней самоиндуцированного изменения состояния поляризации световой волны при распространении в кристаллах LiFrFg, ИАГ:Сг4+, ИАГ:У3+;
-
исследование стойкости кристаллов LiF:Fg к действию мощного ИК излучения с длиной волны 1.06 мкм;
-
исследование стабильности выходной энергии импульсных твердотельных лазеров на неодиме, работающих в режиме ПМД с помощью кристаллов LiF:Fg;
-
исследование спектрального состава и поляризационных свойств лазеров на неодиме с ПЛЗ на основе кристаллов LiF:F~.
Исследование нелинейно-оптических свойств кристаллических ПЛЗ нг основе примесных кристаллов LiFiFg, ИАГ:Сг и ИАГ:У позволил» экспериментально обнаружить явление самоиндуцированной анизотропш резонансного поглощения при его насыщении и связанное с ним явленні
- 7 -імоиндуцированного изменения состояния поляризации распространя-іегося через кристалл света с длиной волны 1.06 мкм. Научная нови-іа заключается в развитии теоретического анализа анизотропии неличного поглощения для случая распространения через примесный крис-ілл короткого импульса света с длительностью 1Ґ <<Т* (т* - время ізни центра в возбужденном состоянии). Практическая ценность сос->ит в том, что этим методом исследованы кристаллы LiFiFl, ИАГ:Сг
ИАГ:У и предложены феноменологические модели ФТЦ Сг и V в
іисталле ИАГ.
Постановка и решение задачи исследования стойкости Fl ЦО в крис-илах LiF к воздействию мощного ИК излучения с длиной волны
06 мкм позволили обнаружить новое явление - необратимое разруше-іе этих центров при двухфотонном поглощении из возбужденного сос-)яния. Практическая ценность состоит в том, что обеспечение надеж->й работы элементов лазера на основе кристаллов LiF:F„ невозможно :з учета процесса распада F„ ЦО в процессе его работы. Кроме того, їмо существование -явления разрущения F„ ЦО открывает возможности >эдания элементов резонятора, обладающих новыми свойствами (пример
"мягкие" диафрагмы на основе кристаллов LiF:F„ для селекции попе-ічньіх мод резонаторов неодимовых лазеров с.д~1.06 мкм).
Исследование стабильности выходной энергии в импульсных твердо-:льных лазерах на неодиме с ПМД на основе кристаллов LiF:F„ позво-їли выявить влияние процесса разрушения F, ЦО в LiF на воспроиэво-імость энергии в гигантском импульсе генерации, что представляет
бой практическую ценность при разработке соответствующих лазеров. Исследование спектрального состава и поляризационных свойств из-
чения генерации неодимовых лазеров с ПЛЗ на основе LiF:F2, рабо-
ющих в импульсно-периодическом рожимо, позволили обнаружить два
вых явления. Первое - "спектральный коллапс" в лазере, т.е. само-
- 8 -произвольное уменьшение ширины спектра излучения с увеличением числа импульсов генерации. Второе - "поляризационный коллапс" в лазере, т.е. переход от генерации от импульса к импульсу излучения с различной поляризацией к генерации импульсов с определенным состоянием поляризации. Научная новизна заключается в том, что эти явления были наблюдены и исследованы впервые. Практическая значимость состоит в возможности создания на основе использования данных эффектов селектров продольных мод и дихроичных фазовых пластинок на основе кристаллов LiF:Fp Для лазеров с длиной волны 1.06 мкм.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах отдела "Взаимодействие когерентного излучения с веществом" Института общей физики РАН, а также на следующих Всероссиииских и международных конференциях:
-
VII Международная конференция "Оптика лазеров'93", С.-Петербург, 1993.
-
IX Межреспубликанское совещание-семинар "Спектроскопия лазерных материалов", Краснодар, 1993.
-
XV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, С.-Петербург, 1995.
-
VIII Международная конференция "Оптика лазеров'95", С.-Петербург, 1995.
-
Международная школа-конференция для молодых ученых "Физикг твердого тела: основы и применения", Ужгород, 1995.
Основные результаты диссертации содержатся в 20 публикациях список которых приведен в конце автореферата. По результатам работ
злучено 2 авторских свидетельства на изобретение. Общее число опу-йикованных автором работ - 38.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
