Содержание к диссертации
Введение
1. Спектроскопические и генерационные характеристики оксидных кристаллов с различными механизмами разупорядочения 9
1.1 Кристаллы со структурным разупорядочением 9
1.1.1 Стабилизированный диоксид циркония. Спектрально- люминесцентные и генерационные свойства. 9
1.1.2 Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства разупорядоченного кристалла КНГТ, активированного редкоземельными ионами. 15
1.2 Разупорядоченность вызванная большой концентрацией ионов активатора. 20
1.3 Термоактивированная разориентация молокулярных фрагментов в кристаллах. 27
1.3.1 Неоднородное расщепление линии комбинационного рассеивания в кристалла легкоплавких нитратов и тугоплавких ванадатов (YVO4, GdV04) 27
1.3.2 Генерационные свойства кристалла YV04:Nd3+. 30
1.4 Принципиальная схема установки 33
2. Генерационные характеристики структурно разупорядоченных кристаллов Zr02-Y203:Yb3+, КНГГ :Nd3+, КНГГ:Тт3+ 36
2.1 Параметры генерации макета лазера на Zr02-Y203:Yb 36
2.1.1 .Экспериментальные образцы и методы исследований. 36
2.1.2.Исследование динамики генерации в импульсном режиме работы лазера. 42
2.1.3 Исследование спектральных характеристик генерации 45
2.1.4 Энергетические характеристики генерации. 48
2.1.5 .Обсуждение результатов 49
2.2 Генерация на кристалле КНГГ: Nd 4% 51
2.2.1 Оптические схемы резонаторов 51
2.2.2 Спектральные характеристики излучения лазера на кристалле КНГГ: Nd3+ 4% 54
2.2.3 Энергетические характеристики генерации. 56
2.2.4. Обсуждение результатов. 58
2.3Исследование характеристик генерации на кристалле КНГГ:Тт3+6% 58
2.4 Основные результаты. 61
3. Эффективная лазерная генерация в режиме модулированной добротности на концентрационно разупорядоченном кристалле УАЮ3 :Тт3+ 64
3.1. Экспериментальные образцы и методы исследований. 65
3.2. Энергетические характеристики. 66
3.3. Временные и спектральные характеристики. 68
3.4 Обсуждение результатов. 70
3.5. Основные результаты. 73
4. Исследование параметров генерации в режиме синхронизации мод на термоактив ационно разупорядоченном кристалле YV04-Nd3+ 74
4.1. Генерация в режиме синхронизации мод с помощью полупроводникового зеркала с насыщением поглощения (SESAMa - Semiconductor saturable absorber mirror). 75
4.1.1 Оптическая схема и описание узлов резонатора. 75
4.1.2 Результаты генерационных экспериментов. 78
4.1.3. Обсуждение результатов. 81
4.1.4. Основные результаты. 81
4.2. Генерация в режиме синхронизации мод с помощью нелинейного зеркала. 82
4.2.1 Оптическая схема и описание узлов резонатора. 82
4.2.2 Результаты генерационных экспериментов 85
4.3. Основные результаты 87
Заключение 89
- Разупорядоченность вызванная большой концентрацией ионов активатора.
- Генерация на кристалле КНГГ: Nd 4%
- Временные и спектральные характеристики.
- Генерация в режиме синхронизации мод с помощью нелинейного зеркала.
Введение к работе
С момента своего создания лазеры находят широкое применение в самых различных сферах человеческой деятельности. С течением времени требования к временным и энергетическим параметрам достаточно быстро возрастали. Возникали необходимости создания лазеров излучающих в самых различных диапазонах. Одним из важных событий в развитии современной лазерной физики является появление лазерной полупроводниковой накачки. В настоящее время устройства накачки на основе лазерных диодов значительно потеснили широкополосную ламповую накачку. Это связано с целым рядом преимуществ данных устройств:
1. Возможность полного совмещения спектров излучения лазерного диода и спектра поглощения активного элемента (А.Э.)
2. Направленность излучения накачки. Излучение накачки полностью фокусируется в А.Э. и существует возможность увеличить профиль инверсии созданного лучом накачки в области основной моды резонатора.
Высокий КПД полупроводниковых лазеров около 30%.
Большое время работы 5000 до 20000 часов
Использование такого типа накачки предъявило новые требования к
тем материалам, которые используются в качестве активных элементов.
Основной задачей в данном случае являлось максимальное согласование
спектров поглощения А.Э. со спектрами излучении ЛД. Применение
полупроводниковой накачки позволило снизить требования к
теплофизическим характеристикам А.Э., что расширило круг используемых
для активации матриц. Стали широко использоваться среды с
разупорядочеиной структурой, для которых свойственно неоднородное
уширение спектральных линий. Были снижены требования к
теплофизическим характеристикам материалов, используемых в лазерах в
качестве активных элементов, что позволило расширить круг используемых
для активации матриц.
В настоящее время получена генерация на большом количестве активных сред. Если рассмотреть их по степени структурного совершенства, то с одной стороны мы увидим среды максимально разупорядоченные, какими являются стекла (аморфная структура, в которой можно выделить только ближний порядок окружения иона активатора), с другой стороны это максимально упорядоченные кристаллы к которым можно отнести в частности простые оксиды (А1203, с малыми концентрациями активатора). Огромное большинство других лазерных кристаллов имеют те или иные нарушения упорядоченности структуры вследствие различных механизмов.
В данной работе были исследованы генерационные характеристики лазеров на разупорядоченных активных средах. Для проведения экспериментов были выбраны кристаллы с различными механизмами разупорядочения.
Большой интерес представляет собой исследование особенностей генерации лазеров с активными элементами из таких кристаллов. Особенности могут возникать из-за наличия в подобных средах нескольких, различных по своим свойствам, оптических центров.
Сами разупорядоченные кристаллы так же возможно поделить по типам разупорядочения.
1). Собственная разупорядоченность (Zr02-Y203 :4% Yb3+, КНГГ:
Nd3+ 4%, NaGd(W04)2, NaLa(Mo04)2, NaLa(W04)2 )
Разупорядоченность, существующая даже при небольшой концентрации
ионов активатора.
2). Разупорядоченность, связанная с большой концентрацией активатора
YA103:Tm3+ 5.5%, различные фториды. [1]
С появлением диодной накачки в лазерной физике стали применяться
активные элементы с большой концентрацией ионов активаторов.
Происходящее в этом случае изовалентное замещение регулярного иона
внутри ионной подрешетки ионами РЗ активатора также приводит к
нарушению упорядоченной структуры кристаллов.
3). Термоактивированное разупорядочение (YVO^Nd , GdV04, ZrSiC>4,
CaW04 и BaW04).
Синтез монокристаллов ортованадатов редкоземельных и вольфраматов
щёлочноземельных металлов происходит при высоких температурах из
расплава, они могут содержать дефекты, вызванные
термоактивационными процессами. Наличие таких дефектов может
приводить к неоднородному расщеплению и уширению спектральных
линий редкоземельных активаторов. Существование нескольких типов оптических центров может оказывать влияние как на временную структуру излучения, так и на его спектральный состав.
Целью данной работы является исследование генерационных свойств кристаллов с различными механизмами разупорядочения, выявление характерных особенностей, присущих этим лазерным средам, разработка макетов эффективных лазеров с полупроводниковой накачкой, в основу работы которых заложены эти характерные особенности.
Для достижения поставленной цели в данной работе ставились и решались следующие задачи:
1. Исследование характерных особенностей лазерной генерации,
проявляющихся как в спектральном составе, так и в динамике лазерного
излучения для лазеров с полупроводниковой накачкой на разупорядоченных
кристаллах с различными механизмами разупорядочения. Разработка и
реализация макетов эффективных лазеров с полупроводниковой накачкой, в
основу работы которых заложены эти характерные особенности.
Изучение влияния собственной разупорядоченности на генерационные характеристики лазеров с активным элементами из кристаллов Zr02-Y203-Yb3+, KHTT:Nd3+, КНГГ:Тш3+.
Выявление особенностей генерации в режиме модуляции добротности макета лазера на кристалле УАЮз:Тш3+, для которого характерно концентрационное разупорядочение.
4. Исследование генерационных свойств кристалла YVO^Nd с целью получения эффективной, стабильной, непрерывной самосинхронизации мод с полупроводниковой накачкой. Научная новизна
5_1_
Получена лазерная генерация на кристалле ZrCb-^C^Yb в режиме незатухающего цуга импульсов. Предложена модель этого процесса в виде самомодуляции добротности, при котором генерация развивается с участием одной группы оптических центров, в то время как другая группа выступает в роли насыщающегося поглотителя. Изучены временные, энергетические и спектральные характеристики генерации.
Выявлено, что при мощной селективной поперечной диодной накачке кристалла KHTT:Nd3+ 4% спектр генерации, как и в условиях широкополосной ламповой накачки, состоит из 3-х линий (1059.8, 1062.2, 1066.5 нм). Это объясняется наличием у кристалла KHIT:Nd нескольких типов групп оптических центров и эффективной миграцией энергии между ними.
Высокие энергетические параметры генерации в режиме модуляции добротности на активной среде УАІОзіТт 5.5% обусловлены эффективным протеканием процесса кросс-релаксации и слабым влиянием на генерацию процесса ап-конверсии, за счет оптимизации режимов накачки.
4. Получена генерация в режиме непрерывной стабильной
самосинхронизации мод в длинном резонаторе с помощью метода
нелинейного зеркала, где в качестве нелинейного элемента использовался
кристалл LBO в некритичном синхронизме.
Разупорядоченность вызванная большой концентрацией ионов активатора.
В связи с использованием диодной накачки большой интерес представляют активные среды легированные большим количеством примеси. Увеличение концентрации активатора влияет на структуру используемого кристалла. Изовалентное замещение регулярного иона внутри ионной подрешетки ионами РЗ активатора также приводит к нарушению упорядоченной структуры кристаллов, различию в кристаллическом окружении РЗ ионов и, как следствие, к неоднородному уширению спектральных линий. Так в работе [1] обнаружено, что в кристаллах фторидов при увеличении концентрации ионов активатора происходит изменение структуры локального окружения иона активатора, приводящее к набору групп оптических центров с несильно отличающимися друг от друга кристаллическими полями. Результатом этого является неоднородное уширение спектральных линий Значительная концентрация активирующей примеси, позволяет рассматривать изначально упорядоченные кристаллы (УАЮз, и др.)[50-52] при их активации редкоземельными ионами в высокой концентрации как кристаллы с разупорядоченной структурой со всеми их особенностями и использовать их в качестве активных элементов лазеров. В данном случае происходит изовалентное замещение катионов в кристаллах с упорядоченной структурой на катионы близкой природы, например Y— Тт в кристаллах YAIO3. Взаимное замещение атомов разных химических элементов в эквивалентных позициях кристаллической структуры, называемое изоморфизмом, приводит к образованию смешанных кристаллов. Типичным примером изоморфизма является замещение в ряде лазерных кристаллов трехвалентных катионов регулярной кристаллической решетки ионами редкоземельных активаторов. В настоящее время с появлением и все более широким применением лазерной диодной накачки в активных элементах лазеров все чаще используются сравнительно высокие (5—10 мол.% и выше) концентрации TR активаторов.
При этом спектры таких TR —ионов оказываются неоднородно уширенными и представляют собой суперпозицию спектров ионов, находящихся в различающихся кристаллических полях. Хорошим примером изменений структуры кристаллов и их спектроскопических характеристик в лазерных кристаллах при изоморфном замещении ионов кристаллической решетки ионами активатора, являются кристаллы ортоалюмината иттрия - лютеция, в которых ионы Lu + замещают ионы Y , а индикаторами таких изменений являются ионы активаторы, например,,Nd , Се . Рассмотрим разупорядочение в кристаллах алюмината иттрия, следуя результатам [53]. Согласно результатам ЭПР, пробные р.з. ионы внедряясь в кристаллическую решетку YAP, изоморфно замещают ионы Y . Было также показано, что и в кристалле Yj-xLuxAlC Р.З. — ион также входит только в иттриевые узлы. Однако в ЭГТР спектрах смешанных YLuAP спектры пробных ионов представляют собой суперпозиции нескольких линий. Причиной этого является образование в одном и том же кристалле нескольких различных по структуре парамагнитных центров. Ионы Се (Nd ) локализуясь только в иттриевых узлах, тем не менее оказываются в кристаллических полях разной симметрии и величины из-за локальной деформации решетки при замещении ионов Y + ионами Lu f в ближайшем окружении парамагнитного центра. Многотипность центров Се в смешанных алюминатах YLuAP зависит от концентрации лютеция и обусловлена только статистическими флуктуациями в распределении ионов Механизм неоднородного уширения выглядит следующим образом. Ионы лютеция; внедряясь в решетку ортоалюмината вместо иттрия, попадают в ближайшее окружение активаторного центра Се (Nd ) и искажают его (обычную для YAP) симметрию ближайшего окружения. Таким образом, многотипность парамагнитных центров Се (Nd ) в смешанных ортоалюминатах возникает вследствие статистических флуктуации. В кристаллах ортоалюмината иттрия при изоморфном замещении и разновероятном распределении можно принять, что вероятность найти ионы Lu3+ в каком-либо из узлов иттриевой катионной подрешетки одинакова для всех позиций. В этом случае концентрация одиночных и сложных центров определяется по формуле для повторных испытаний из теории вероятностей (случай биномиального распределения) [54]. Поскольку для YAP координационное число равно шести, вероятность одновременного попадания п (п=0,1,2, ,6) ионов Lu в редкоземельный октаэдр определяется по формуле: Здесь Р6п — концентрация ионов Се (Nd ), имеющих п соседних ионов Lu в Yi_xLuxA103. На Рис. 1.2.1. сплошными кривыми представлены эти вероятности в зависимости от содержания Lu в монокристаллах YAIO3. Из этих зависимостей следует, что при х=0.1 в кристалле образуется 53,1% центров с п=0; 35,1% цериевых центров имеет в ближайшем окружении по одному иону лютеция; 9,8% — по два иона Lu , а концентрация центров Се с тремя ионами Lu3+ составляет 1,5%. Подсчитано, что при учете всех возможных комбинаций расположения ионов LiT и Y-" вокруг иона Се (Nd ) образуется 27 различных парамагнитных центров. В результате ионы активатора, находящиеся в парамагнитных центрах различной структуры дают слабо различающиеся спектры поглощения и люминесценции, суперпозиция которых приводит к неоднородному уширению спектрального контура. При этом степень искажения поля для различных оптических центров различается, что приводит к различному их вкладу в суммарные спектры поглощения и люминесценции.
Похожая ситуация с кристаллическим окружением ионов активатора наблюдается при их большой концентрации в исходной изначально не разупорядоченной матрице. В данном случае редкоземельные ионы локализуясь только в иттриевых узлах, оказываются в кристаллических полях разной симметрии и величины из-за локальной деформации решетки при замещении ионов Y3+ РЗ ионами в ближайшем окружении оптического центра, а не ионами Lu3+, как в смешанных алюминатах. Многотипность оптических центров РЗ ионов в алюминате зависит от их концентрации и обусловлена только статистическими флуктуациями в распределении РЗ ионов по узлам иттриевой подрешетки. Большая концентрация РЗ ионов активатора УАЮз приводит к незначительному неоднородному уширению в спектрах поглощения и люминесценции. [55]. Так в диапазоне концентраций до -6 ат %) полуширина линии люминесценции возрастает в 1.5-3 раза (Рис. 1.2.2.) Вместе с этим увеличение количества парных центров, увеличивает вероятность межионного безизлучательного взаимодействия (процессы кросс-релаксации, ап-конверсии). Наибольший положительный эффект от процесса кросс-релаксации реализуется в активных средах, активированных ионами Тт3+ (концентрация 3-8 ат %). Схема образования инверсной населенности в кристалле выглядит следующим образом. При поглощении кванта с длиной волны около 0.8 мкм происходит возбуждение К» состояния Тт . В процессе кроссрелаксации Н4—» F4: Н6— F4 образуется два возбужденных состояния F4. Квантовая эффективность в идеальном случае равняется 2. На практике квантовая эффективность зависит от концентрации и составляет 1.4-1.8 [56,57]. В работе [58] отмечено, что при увеличении концентрации ионов ТтЗ+ в ортоалюминате до 5.5% в кристалле отмечается тушение люминесценции с уровня Н4 обусловленное кросс-релаксационными процессами. Авторами была оценена эффективность этого процесса с помощью формулы \jm и І тш — интесивности сигналов люминесценции ионов Тт3+ с уровня Н4 при наличии кросс-релаксации и в её отсутствие. В результате эффективность процесса кросс-релаксации при концентрации ионов активатора 5.5% составила РГт_Гт =98.5. Влияние процесса ап-конверсии на генерацию исследуется в целом ряде работ. К настоящему моменту известно как её положительное влияние -получение генерации в видимом и ультрафиолетовом диапазоне [59], так и негативное [60] - снижение населенности верхнего лазерного уровня F4 за счет процесса ап-коверсии.
Генерация на кристалле КНГГ: Nd 4%
Концентрация оптических центров с меньшим сечением превосходит концентрацию центров с большим. В процессе развития генерации центры с большим сечением поглощают излучение центров с меньшим сечением, но за счет большего количества меньших центров, процесс поглощения достигает насыщения и происходит просветление активного элемента на длине волны генерации. Что приводит к временному снижению потерь в резонаторе и генерации импульса излучения. Выяснение детального механизма генерации незатухающего цуга импульсов требует дополнительных исследований. Была получена генерация с различными значениями длин волн. Для этого были использованы внешние зеркала с различными коэффициентами пропускания, при этом диапазон перестройки длины волны генерации составил от 1039 до 1055 нм. Для оценки эффективности использования накачки, которая осуществлялась в рамках данного эксперимента были произведены расчеты поперечного размера моды излучающейся лазером и сопоставлены с результатами измерений пучка накачки внутри активного элемента. Приведенные оценки показывают что диаметр лазерной моды относится к диаметру пучка накачки как 0.76 : 1. Генерационные исследования, проведенные в данной работе показали, что кристаллы Zr02: 7% Yb3+ являются эффективным лазерным материалом и перспективны для создания лазеров с диодной накачкой. Об этом свидетельствуют низкие пороги генерации в импульсном и непрерывном режиме и высокие дифференциальные КПД 50% в импульсном режиме и Широкие спектры свидетельствуют о перспективности этой среды для генерации сверхкоротких импульсов. 2.2 Генерация на кристалле КНГГ: Nd 4%. Другим представителем класса кристаллов со структурным разупорядочением является кристалл КНГГ. Большое количество проведенных экспериментов, в том числе и генерационных, разных ионов-активаторов в КНГГ демонстрирует существование у этого материала различных типов групп оптических центров. В основном генерационные исследования проводились с широко-полосной ламповой накачкой. Была получена генерация в разных режимах.
На данный момент представляет интерес получение генерации при мощной селиктивной боковой полупроводниковой накачке. Для таких устройств характерен достаточно узкий спектр излучения по сравнению с лампами, что может оказывать влияние как на спектральный состав излучения генерации, так и на другие его характеристики. Для проведения генерационных исследований были изготовлены активные элементы из кристалла КНГГ: Nd3+ 4%, выращенного группой Еськова Н.А. в Симферопольском Государственном Университете, которые представляли собой прямоугольную пластину с плоскими торцами с размером 6x4 мм и толщиной 30мм. На торца активных элементов были нанесены просветляющие покрытия на длину волны генерации. На боковую поверхность активного элемента, через которую осуществлялась накачка, нанесено просветляющее покрытие на диапазон длин волн 805-812 нм. Активный элемент с помощью индиевой фольги закреплялся в медном корпусе, что обеспечивало отвод тепла от элемента При проведении экспериментов использовались два типа резонаторов с одним и двумя активными элементами. (Рис.2.2.1.1.) Накачка осуществлялась с помощью диодных матриц через боковую поверхность активного элемента. Отвод тепла от медных корпусов, в которых были закреплены матрицы, осуществлялся на массивную металлическую плиту. Диодные матрицы работали в импульсном режиме с частотой 1.25 Гц и длительностью 500 мкс. Как видно из приведенных спектральных данных по ширине линии поглощения кристалл КНГГ Nd + значительно превосходит ИАГ .[88] (Рис.2.2.1.2. Рис.2.2.1.3.) Поглощение для используемых матриц составило 7 см" и 10.4 см" . Отсутствие третьей, самой длинноволновой, компоненты в спектре генерации при использовании схемы резонатора с одним А.Э. объясняется недостаточным усилением для одного из типов оптических центров. Наличие нескольких линий генерации связано с существованием у активной среды нескольких оптических центров, которые и генерируют на различных длинах волн. Как видно из приведенных совместно спектров поглощения и люминесценции спектральное положение линии генерация хорошо согласуется с положением пиков в спектрах люминесценции, которые соответствуют трем типам групп оптических центров. Приведенные результаты по исследованию спектральных характеристик излучения лазеров на кристалле КНГГ: Nd3+ 4% с полупроводниковой накачкой хорошо согласуются с данными полученными в экспериментах на аналогичных кристаллах, но с ламповой накачкой. энергии генерации от падающей энергии в импульсном режиме генерации накачки для обеих оптических схем резонатора. Порог генерации достигался при падающей энергии накачки 0.45 Дж для двух А.Э. и 0.29 Дж для одного А.Э. элемента внутри резонатора. Ввиду того что спектры излучения диодных матриц накачки различаются на 2.5 нм, наблюдается отличие и в поглощении их излучения. Коэффициенты поглощения для обеих матриц равны 7 см" и 10.4 см" . Как и следовало ожидать этот факт оказал влияние на генерационные характеристики исследуемых лазеров. А именно: произошло снижение дифференциального КПД при получении генерации с использованием двух кристаллов КНГГ легированных Nd в качестве активных элементов.
Несмотря на не совсем оптимальные условия накачки были получены достаточно высокие значения выходной энергии около 100 мДж. Наиболее интересным нюансом в генерационных свойствах лазера на кристалле КНГГ легированном 4% Nd является существование нескольких линии в спектре генерации. Такой вид спектра может быть связан с достижением порога генерации несколькими оптическими центрами, которые и излучают на различных длинах волн. Это хорошо продемонстрировано при сопоставлении спектра генерации со спектром люминесценции. Использование селективной узкополосной накачки могло бы привести к возбуждению и последующей генерации только одной группы оптических центров. Однако при такой, достаточно высокой, концентрации ионов активатора на параметры генерации могут оказывать процессы безизлучательного взаимодействия между различными группами оптических центров. В данном случае происходит миграция энергии между различными типами групп оптических центров, поэтому спектр генерации в этом случае аналогичен спектру в условиях широкополосной ламповой накачки. При ламповой накачке происходит возбуждение сразу нескольких типов групп оптических центров, отличающихся своими спектральными характеристиками. Были изучены спектральные и генерационные характеристики кристалла КНГГ активированного Тт3+. При следовании параметров генерации лазера на основе этого кристалла использовалась продольная полупроводниковая накачка в спектральной области 803-805 нм, что неплохо согласовывалось со спектром поглощения Тт3+ (Рис.2.3.1.). Мощность излучения накачки составила 50 Вт, размер прокачиваемой области созданный фокусирующей системой, был равен 600 мкм. Как видно из приведенных данных плотность мощности накачки достигала 14 кВт/см . Для снижения влияния нагрева за счет поглощения излучения лазерных диодов, накачка в лазерном эксперименте осуществлялась в импульсном режиме. В качестве активного элемента использовался кристалл КНГГ: Тт3+ размерами 5 5 5 мм. На его торца наносилось просветляющее покрытие на длину волны генерации. Активный элемент помещался в медную оправку и его температура регулировалась в диапазоне 10-20 С. Схема резонатора представлена на Рис.2.3.2.
Временные и спектральные характеристики.
Отличительной особенностью нашей работы является использование полупроводниковой накачки в спектральной области 803-805 нм. Как видно из приведенных данных, ширина спектра излучения диодной линейки хорошо согласуется со спектром поглощения Tm . Коэффициент поглощения составил при этом 1.6 см"1 (Рис. 3.2.1.) При генерации с активным элементом длиной 4 мм., в режиме модуляции добротности при частоте повторения импульсов 10 кГц средняя мощность генерации составила 4.1 Вт, что не уступает таковой в режиме свободной генерации. Порог генерации по поглощенной мощности накачки 7.5 Вт. Зависимость средней мощности генерации от поглощенной мощности накачки представлена на Рис. 3.2.2. При этом эффективность по поглощенной мощности составила 26% при дифференциальном КПД 58%. При снижении частоты открывания затвора до 5, 2.5 и 2 кГц средняя мощность генерации незначительно падала до 4, 3.9 и 3.6 Вт. соответственно. Таким образом максимальная энергия импульса составила 1.8 мДж (частота 2 кГц). Увеличение длины активного элемента до 10 мм. позволило получить максимальную среднюю мощность генерации 5 Вт в диапазоне частот повторения импульсов 5 — 15 кГц. 3.3. Временные и спектральные характеристики. Минимальная длительность импульса генерации составила 130 не. Она достигалась при осуществлении генерации с частотой следования импульсов 1 кГц. При увеличении частоты работы затвора длительность импульса генерации так же возрастает 270 не (2 кГц), 400 не (5 кГц) и 550 не (10 кГц) (Рис.3.3.1.) Проведенные нами эксперименты свидетельствуют о возможности создания достаточно эффективных лазеров ( дифференциальный КПД-58% ), излучающих в диапазоне около 2-х микрон при накачке лазерными диодами в полосу поглощения 803-805 нм. Важной особенностью проведенных исследований являлась работа лазера в режиме модуляции добротности Высокие энергетические параметры генерации, полученные при проведении экспериментов, могут быть обусловлены разупорядочением, вызванным большой концентрацией активатора, характерным для этого кристалла.
При увеличении концентрации ионов активатора происходит изменение структуры локального окружения иона активатора, приводящее к набору групп оптических центров с несильно отличающимися друг от друга кристаллическими полями Приведенные в литературе исследования для ортоаллюмината иттрия свидетельствуют, что, при легировании кристалла алюмината иттрия 5 % РЗ иона концентрация одиночных центров в матрице YA103 составляет 70%. (Рис.3.4.1.) Квантовая эффективность в идеальном случае равняется 2. На практике квантовая эффективность зависит от концентрации и составляет 1.4-1.8 [91]. В то же время оптимизация плотности мощности полупроводниковой накачки позволяет избежать негативного влияния процесса ап-конверсии на праметры генерации в режиме модулированной добротности 4.5. Основные результаты. Выявлено, что оптимальная плотность мощности полупроводниковой накачки концентрационно разупорядоченного кристалла YA103: Tm (концентрация Tm - 5.5 ат.%) позволяет минимизировать отрицательное влияние процесса ап-конверсии. При этом энергетическая эффективность генерации в режиме модулированной добротности не уступает таковой в режиме свободной генерации. Получена средняя выходная мощность генерации 5 Вт, при мощности накачки 30 Вт, минимальная длительность импульса 130 не. Кристалл YV04-Nd3+ находит широкое применение в современной лазерной физике, он обладает высокими значениями сечениями поглощения и усиления. В том числе он активно используется для получения генерации в режиме синхронизации мод. Как недавно показал АА.Соболь [92] с сотрудниками, этот кристалл является материалом, для которого характерно разупорядочение вызванное термоактивационными процессами переориентации структурных элементов VO4. В настоящее время на этом кристалле реализованы режимы активной и пассивной синхронизации мод с различными затворами. В этой работе решена задача получения стабильной синхронизации мод в непрерывном режиме с высокой эффективностью генерации. Для получения лазерной генерации в режиме синхронизации мод были реализованы два метода синхронизации. В одном случае синхронизация осуществлялась с помощью насыщающегося поглотителя, в качестве которого использовался SESAM. В другом использовалось нелинейное зеркало. В обоих случаях генерация осуществлялась в длинном резонаторе и соответственно требовалась прецезионная юстировка резонатора. 4.1. Генерация в режиме синхронизации мод с помощью полупроводникового зеркала с насыщением поглощения (SESAMa -Semiconductor saturable absorber mirror). 4.1 .Юптическая схема и описание узлов резонатора. В проведенных экспериментах использовался SESAM размерами 3x3 мм, изготовленный для применения в лазерах сдлинной волны излучения 1,06 мкм. Спектральная полоса высокого отражения R 99% 980-1060 нм. Насыщение поглощения около 2%, времена релаксации 500фс/10пс. Для предотвращения разрушения поверхности зеркала вследствие её чрезмерного нагрева из-за большой плотности мощности внутри резонатора, SESAM припаивался к медной подложке, позволяющей осуществлять его юстировку. Пайка зеркала к подложке производилась при помощи сплава Вуда. Охлаждение подложки осуществлялось с помощью воды. Для проведения генерационных экспериментов в качестве активного элемента был использован кристалл YV04-Nd 0.2%, выращенный Матросовым В.Н. «Соликс НП ООО» А.Э. имел размеры 3 3 12 мм. Для этой лазерной среды характерны достаточно широкие линии в спектрах поглощения и люминесценции и высокие значения сечения усиления, что в значительной мере облегчает юстировку и работу с лазерами на основе таких кристаллов. На торцы активного элемента было нанесено просветляющее покрытие на длину волны генерации (1.064 мкм).
С целью обеспечения отвода тепла от активного элемента, он с помощью индиевой фольги закреплялся в медной оправке, помещенной на массивной металлической плите. Генерация осуществлялась в длинном резонаторе для обеспечения как можно большего количества синхронизованных продольных мод. Резонатор был рассчитан с помощью методов матричной оптики. Основною целью при расчете являлось максимальное согласование моды генерации и прокаченной области внутри активного элемента; также было необходимо обеспечить размер перетяжки на SESAM e, позволяющий осуществлять синхронизацию мод без модуляции добротности. Длина резонатора составляла более двух метров. Резонатор состоял из 5-ти зеркал (Рис.4.1.1.1.) 1- выходное зеркало Т=1% 1064 нм, 2-зеркало для накачкиТ=80% 808 нм и R=100% 1064нм, 3 - активный элемент YV04-Nd3+ 0.2%, 4 - зеркало R=100% 1064 нм г=1050мм, 5 - зеркало R=100% 1064 нм г=100 мм, 6-SESAM. Радиусы зеркал 4 и 5 соответственно равнялись 1050 мм и 100 мм расстояние между ними 950мм. Расстояния между зеркалом 4-А.Э.=1050мм А.Э., зеркало 5-SESAM= 100мм. Расстояния между зеркалами подбирались исходя требований к размеру пучка генерации в А.Э. и на SESAMe. Пропускание выходного плоского зеркала равнялось 1%. Следует отметить, что пропускание выходного зеркала играет большую роль для создания необходимой плотности мощности на SESAMe В проводимых исследованиях перетяжка на зеркале равнялась 100 мкм. Распределение радиуса моды генерации внутри активного элемента представлено на Рис.5.1.1.2. Как видно радиус моды генерации внутри А.Э. составил около 250 мкм. Накачка осуществлялась через селективное ломающее зеркало, пропускающее излучение накачки и полностью отражающее излучение генерации. В качестве источников накачки служила линейка полупроводниковых диодов фирмы LIMO на основе AlGaAs с вариацией длин волн излучения в диапазоне 794-811 нм. Изменение длины волны излучения диодной линейки осуществлялось с помощью регулирования её температуры. Стабилизация температуры осуществлялась элементом Пельтье. Вывод излучения линеек осуществлялся с помощью волоконного кабеля с диаметром 400 мкм. Излучение на выходе кабеля было неполяризованным.
Генерация в режиме синхронизации мод с помощью нелинейного зеркала.
Отличительной особенностью этих экспериментов является получение генерации в режиме самосинхронизации мод с помощью нелинейного зеркала на кристалле LBO работающего в некритичном синхронизме. Использовать метод нелинейного зеркала для получения генерации в режиме синхронизации мод впервые предложил Станков [ 93-96 ]. В дальнейшем этот метод достаточно широко использовался [ 97 - 102]. Нелинейный материал может выдержать очень большую плотность мощности без оптического разрушения. Длинный кристалл обеспечит высокую эффективность преобразования для старта нелинейного этапа, а короткий кристалл может обеспечить нелинейное отражение для коротких импульсов. Метод нелинейного зеркала применим во всем спектральном диапазоне, для которого существует подходящий нелинейный кристалл. Не только генерация второй гармоники, но и другие обратимые нелинейные процессы могут быть успешно использованы для реализации такой схемы. Использование НЛЗ на основе LBO для получения синхронизации решает проблему с оптической стойкостью (существующую у полупроводниковых насыщающихся зеркал SESAMOB), кроме того в кристалле LBO отсутствует наведенное поглощение, характерное для кристалла КТР. Нелинейный кристалл помещался в медную оправку закрепленную на кардане. Термостабилизация нелинейного элемента осуществлялась с помощью термостатированного нагревателя. Рабочая температура LBO составила 150 С. Точность ее поддержания составила 0.1 С. Для снижения воздействия внешних факторов нелинейный кристалл с термостатированным нагревателем накрывался специальным экраном Кристалл LBO химически устойчив, негигроскопичен. Твердость по шкале Мооса равна 6. Кристалл имеет хорошие механические свойства, что облегчает процесс резки и полировки. Триборат лития обладает уникальным набором физических, оптических и нелинейных свойств [103]. Он характеризуется очень широким диапазоном прозрачности и высоким порогом поверхностного разрушения. В диапазоне фазового синхронизма, где LBO обладает наибольшими эффективными нелинейными коэффициентами, он имеет наименьший снос луча и очень большую угловую ширину синхронизма. LBO обладает хорошей лазерной прочностью. Порог поверхностного разрушения этого нелинейного кристалла значительно больше чем у других широко применимых нелинейных сред ВВО, KDP (в 1.6 раза и 3.5 раза соответственно) [104] Для проведения генерационных экспериментов в качестве активного элемента был использован кристалл YV04-Nd3+ 0.2% тот же самый, что и в экспериментах по получению генерации в режиме синхронизации мод с помощью SESAMa.
С целью обеспечения отвода тепла от активного элемента, он с помощью индиевой фольги закреплялся в медной оправке, помещенной на массивной металлической плите. Рис.5.2.1.1. Оптическая схема нелинейного зеркала, 1-нелинейный кристалл, 2-зеркало Т=100% на 532 нм и Т=20% на 1064 нм, ОГ - основная гармоника 1064 нм, ВГ - вторая гармоника 532 нм Дря эффективной работы нелинейного зеркала необходимо, что бы излучение второй гармоники после отражения от выходного зеркала обратно преобразовывалось в основную гармонику. Для этого разность фаз между ними должна быть -тс/2 ± 27im. После первого прохода через нелинейный кристалл сдвиг фаз между основной волной и второй гармоникой равен + я/2. Изменение фазы на - л достигается изменением расстояния между нелинейным кристаллом и дихроичным зеркалом (используется дисперсия в воздухе). По литературным данным 105] сдвиг фаз между излучением с длинами волн 1064 и 532 нм составляет 27 /см. Набег фазы между основной и второй гармониками за счет дисперсии воздуха в промежутке нелинейный кристалл выходное зеркало (0.5 см) равен: 27[/см] 2 0.5[см]=27 Для определения суммарного сдвига фаз необходимо учитывать скачок фаз при отражении от зеркала. Следовательно для используемого дихроичного зеркала он составил ф-152. Оптическая схема резонатора во многом схожа со схемой использованной для SESAMa (Рис.4.2.1.2.) При этом длительность импульса равнялась 8 пс. Рис.4.2.2.2. Энергия одного импульса составила 67.2 нДж. (средняя мощность генерации 4.8 Вт). Мощность накачки при этом составила 30 Вт 4.3. Основные результаты При исследовании генерационных характеристик лазера на основе кристалла ванадата иттрия, работающего в непрерывном режиме стабильной синхронизации мод, для которого характерно разупорядочение связанное с термоактивационными процессами, была получена генерация с высокими параметрами. Генерация была реализована в длинном резонаторе, в качестве нелинейного элемента в методе НЛЗ был использован кристалл LBO. Он работал в режиме некритичного синхронизма.
Использование этого кристалла при описанных условиях в значительной мере облегчало его юстировку за счет сравнительно больших углов синхронизма. Разработанная оптическая схема резонатора и компоновка узлов позволила получить стабильно высокие энергетические характеристики лазера работающего в режиме самосинхронизации мод. 1. Выявлены характерные особенности лазерной генерации, проявляющиеся как в спектральном составе, так и в динамике лазерного излучения для лазеров с полупроводниковой накачкой на разупорядоченных кристаллах с различными механизмами разупорядочения. Предложены и реализованы макеты эффективных лазеров с полупроводниковой накачкой, в основу работы которых заложены эти характерные особенности. 2. Установлено, что собственная разупорядоченность, свойственная таким активным средам, как КНГТ, оказывает наибольшее влияние на генерационные характеристики лазеров: для лазера с селективной мощной поперечной полупроводниковой накачкой на основе кристалла КНГТ: Nd3+ реализована генерация 3-х групп оптических центров с различными длинами волн (1059.8, 1062.2, 1066.5 нм). Дифференциальный КПД генерации 20%. 3. В лазере на кристалле ZrCb-YiCb: Yb обнаружено явление генерации незатухающего цуга импульсов, как для импульсной так и для непрерывной накачки. Предложена модель этого процесса в виде самомодуляции добротности, при котором генерация развивается с участием одной группы оптических центров, в то время как другая группа выступает в роли насыщающегося поглотителя. 4. В макете лазера на концентрационно-разупорядоченном кристалле YAIO3: Тт 5.5%) при оптимизации условий накачки, позволяющей снизить влияние ап-конверсии, получена генерация в режиме модуляции добротности на переходе F4- Нб ионов Тт с эффективностью 58% и средней выходной мощностью генерации 5 Вт при мощности накачки 30 Вт. Энергетическая эффективность генерации в данном случае, не уступает таковой в режиме свободной генерации. Минимальная длительность импульса генерации равнялась 130 не.
