Введение к работе
Актуальность работы.
Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием твердотельных лазеров двухмикронного диапазона. Это развитие базируется на большом объеме накопленных знаний в области физики и спектроскопии активированных кристаллов и вызвано перспективностью использования двухмикронных лазеров в таких динамично развивающихся областях науки и техники, как лазерная медицина и биология, лазерная локация и дистанционное зондирование атмосферы.
Излучение двухмикронного диапазона интенсивно поглощается водосодержащими тканями глаза не достигая сетчатки и исключая ее повреждение сфокусированным лазерным лучом. Высокая прозрачность атмосферы в двухмикронном диапазоне и наличие узких линий поглощения СОг газа и водяного пара одновременно с безопасностью излучения для глаз делают лазеры двухмикронного диапазона перспективными для использования в системах дистанционного зондирования атмосферы и радарных системах.
Интенсивное поглощение двухмикронного излучения жидкой водой и высокая прозрачность кварцевых оптических волокон, определило эффективное использование двухмикронньгх лазеров в медицине для коагуляции и рассечения водосодержащих тканей.
Появление лазерных диодов привело к созданию непрерывных лазеров на переходах Но и Тш, работающих при комнатной температуре и стимулировало исследования новых активных сред двухмикронных лазеров, наиболее полно удовлетворяющих требованиям диодной накачки. К настоящему времени реализованы одномодовый одночастотный и моноимпульсный режимы генерации двухмикронньгх лазеров при непрерывной диодной накачке. Такие лазеры используются в качестве задающих генераторов в когерентных радарных и лидарных системах.
С использованием в качестве источников накачки мощных двумерных решеток лазерных диодов разрабатываются импульсные двухмикронные лазеры для лидаров космического базирования, создан непрерывный двухмикронный лазер мощностью 26 Вт для медицинских целей.
Формирование инверсии на двухмикронных переходах ионов Но и Тш происходит по многоуровневым схемам, включающим процессы межцентрового переноса энергии и взаимодействия возбужденных состояний. Задачи оптимизации лазерных сред требуют детальных исследований схем формирования инверсии и характеристик составляющих их процессов переноса энергии.
Целью данной работы являлось экспериментальное исследование процессов преобразования энергии возбуждения в лазерных средах,
определение влияния этих процессов на энергетические характеристики лазеров, поиск новых схем сенсибилизации лазерных переходов ионов Но и Тт и оптимизация составов активных сред.
Научная новизна.
-
Изучены процессы межцентрового переноса энергии в кристаллах УзАІ50і2:Сг,Тт-Но, YLiF^Tm-Ho, УзАІ50і2:УЬ-Но, определены механизмы и микропараметры межионного взаимодействия.
-
Выполнены систематические исследования процесса ап-конверсии энергии, связанного с взаимодействием возбужденных состояний 3F4 иона Тт и 5І7 иона Но в кристаллах УзАІ50і2:Сг,Тт-Но. Показано, что ап-конверсия является основным механизмом разрушения инверсии на лазерном переходе, рост скорости ап-конверсии приводит к резкому падению коэффициента усиления при нагреве кристаллов УзАІ50і2:Сг,Тт-Но с высокой концентрацией ионов Тт.
-
Установлена связь мощности генерации в импульсно-периодическом режиме со спектроскопическими характеристиками кристаллов УзАІ50і2'-Сг,Тт-Но. Показано, что скорость ап-конверсии запасенной энергии является основным критерием при оптимизации состава кристаллов УзАІ50і2:Сг,Тт-Но для импульсно-периодических лазеров.
-
Предложена новая схема формирования инверсии на лазерном переходе 3F4-3H6 иона Тт в кристаллах УзАІ50і2:Сг-Тт. Показано, что использование высокой концентрации активатора, обеспечивающей эффективную передачу энергии от ионов Сг к ионам Тт и кросс-релаксацию возбуждения уровня 3Н4 , приводит к увеличению эффективности генерации УзА^О^Сг-Тт лазера, несмотря на трехуровневый характер лазерного перехода.
-
Выполнены исследования кристаллов YLiF4:Tm-Ho и УзА^О^Тт-Но, как активных сред лазеров с диодной накачкой. Показано, что кристаллы YLiF4:Tm-Ho характеризуются большей эффективностью энергонакопления вследствие меньшей скорости ап-конверсии, связанной с взаимодействием возбужденных состояний 3F4(Tm) и 5І7(Но). Установлено, что меньшая скорость ап-конверсии и независимость параметра скорости ап-конверсии от концентрации ионов Тт обусловлены обратимым характером процесса ап-конверсии.
-
Впервые получена генерация на длинах волн 1.908 и 1.936 мкм на переходе 3F4-3He иона Тт в кристаллах YLiF4:Tm при селективной накачке на длине волны 0.79 мкм. Показано, что лазер на основе кристалла YLiF4:Tm, генерирующий на длине волны 1.908 мкм, может быть использован как источник прямой накачки верхнего лазерного уровня иона Но в кристалле YjAlsO^Ho.
-
Предложена новая схема формирования инверсии на лазерном переходе 5Ь - 5Ig иона Но в кристаллах УзА^О^УЬ-Но. Установлено, что
высокая скорость переноса энергии от ионов Yb к ионам Но обусловлена более сильным, чем диполь-диполыгое, взаимодействием между ионами, находящимися на минимальном расстоянии.
8. На кристалле УзА^О^УЬ-Но впервые реализован непрерывный режим двухмикронной генерации твердотельного лазера при комнатной температуре с ламповым возбуждением. Показано, что кристаллы УзАІ50і2:"УЬ-Но являются перспективной активной средой для лазеров с диодной накачкой.
Практическая ценность.
Результаты исследований кристаллов УзАІ50і2:Сг,Тт-Но и разработанные критерии оптимизации состава активной среды использованы при создании лмпульсно-периодического лазера для медицинских целей на основе кристалла УзАІ50і2:Сг,Тш-Но.
Результаты исследований кристаллов YLiF^Tm-Ho и YLiF^Tm показывают пути построения эффективных двухмикронных лазеров импульсного режима с диодной накачкой .
Исследования кристаллов YjAbO^'.Yb-Ho показывают возможность создания непрерывных двухмикронных лазеров с ламповой накачкой и могут быть использованы при построении лазеров с диодной накачкой.
Защищаемые положения.
-
Ап-конверсия энергии, связанная с взаимодействием возбужденных состояний 3F4(Tm) и 5І7(Но) является основным каналом потерь запасенной энергии в кристаллах УзАІ50і2:Сг,Тт-Но. Температурная активация ап-конверсии приводит к резкому падению коэффициента усиления при нагреве кристаллов с высокой концентрацией Тт, скорость ап-конверсии является основным критерием при оптимизации состава активной среды для лазеров импульсно-периодического режима.
-
Увеличение концентрации ионов Тт в кристаллах УзА^О^Сг-Тт способствует повышению эффективности генерации на переходе - - 3Нб иона Тт, несмотря на трехуровневый характер перехода, вследствие роста эффективности переноса энергии от ионов Сг к ионам Тт и квантового выхода кроссрелаксации возбуждения 3Н4 уровня иона Тт.
3. Кристаллы YLiF4:Tm-Ho предпочтительны как активная среда
двухмикронных лазеров с диодной накачкой вследствие меньшей, по
сравнению с кристаллами УзАІзОігіТт-Но, скоростью ап-конверсии
энергии, связанной с взаимодействием возбужденных состояний 3F4(Tm) и
5І7(Но). Меньшая скорость ап-конверсии и независимость параметра
скорости от концентрации ионов Тт обусловлены обратной
кроссрелаксацией возбуждения 5І5 уровня иона Но.
4. Ионы Yb являются эффективным сенсибилизатором двухмикронного лазерного перехода иона Но в кристаллах иттрий-алюминиевого граната при низкой (менее 0.5%) концентрации ионов Но. Кристаллы УзА^О^УЬ-Но -активная среда для непрерывных двухмикронных лазеров с ламповой накачкой и лазеров с диодной накачкой.
Личный вклад автора.
Все представленные исследования и результаты выполнены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 136 страницах, включая 30 рисунков и 121 библиографическую ссылку.
Апробация работы.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на: Всесоюзных и международных конференциях по оптике лазеров (Ленинград, 1987, 1990; Ст.-Петербург, 1993, 1995); расширенных заседаниях "Лазерные люминофоры" (Звенигород, 1988, 1989); международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); International conference on f-elements (Helsinki, 1994); International conference on Advanced Solid-State Lasers (Memphis, 1995; San Francisco, 1996).
Похожие диссертации на Кристаллы иттрий-алюминиевого граната и двойного фторида иттрия-лития, активированные ионами Но3+ и Tm3+, как активные среды лазеров двухмикронного диапазона
