Спектральные и нелинейно-оптические свойства насыщающихся оптических поглотителей на основе стеклокерамики с кобальтсодержащими нанокристаллами для лазеров на Yb-Er стекле Виткин Владимир Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор литературы 13

1.1 Обоснование выбора рабочего спектрального диапазона 13

1.2 Предъявляемые требования к лазерным источникам излучения в импульсной дальнометрии 18

1.3 Основные спектральные характеристики насыщающихся поглотителей на основе тетраэдрически координированных ионов переходных металлов для лазеров на Yb:Er стекле 28

1.4 Выводы по первой главе 43

2 Исследование насыщающихся оптических поглотителей на основе новых стеклокерамик для обеспечения пассивной модуляции добротности в лазерах на Yb: Ег стекле 44

2.1 Исследование насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов Co2+:ZnO 44

2.2 Исследование насыщающихся оптических поглотителей из 9+ стеклокерамических материалов на основе смеси нанокристаллов Со :Р Zn2Si04 и Co2+:ZnO 54

2.3 Исследование насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов Co2+:y-Ga203 со структурой шпинели 61

2.4 Исследование насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов 9+ литиевоалюмогаллиевой шпинели Со :Li(Al, Ga)5Os 68

2.5 Исследование стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов Co2+:Mg(Al,Ga)204 со структурой шпинели

2.6 Сравнительный анализ характеристик пассивных затворов на основе стеклокерамик с кобальтсодержащими нанокристаллами 79

2.7 Анализ перспективности использования исследованных насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамик с кобальтсодержащими нанокристаллами для применения в лазерах спектрального диапазона 1.6-1.7 мкм 85

2.8 Выводы по второй главе 88

3 Компактные лазеры на Yb:Er стекле 90

3.1 Моделирование системы накачки 91

3.2 Экспериментальное исследование 102

3.3 Выводы по третьей главе 112

Заключение 114

Список сокращений 116

Список источников

• Основные спектральные характеристики насыщающихся поглотителей на основе тетраэдрически координированных ионов переходных металлов для лазеров на Yb:Er стекле
• Исследование насыщающихся оптических поглотителей из 9+ стеклокерамических материалов на основе смеси нанокристаллов Со :Р Zn2Si04 и Co2+:ZnO
• Исследование насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов 9+ литиевоалюмогаллиевой шпинели Со :Li(Al, Ga)5Os
• Экспериментальное исследование

Введение к работе

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.

В настоящее время импульсные наносекундные лазеры находят широкое применение в системах машинного зрения и виртуальной реальности, в геодезии, в системах экологического мониторинга, в системах посадки космических кораблей, в лазерной хирургии и дальнометрии. Одним из самых востребованных применений импульсных наносекундных лазеров является импульсная дальнометрия. Так, рынок лазерных дальномеров в 2015 году составил более 9 млн. штук в год согласно отчету Market Research Report. Особенно велика необходимость создания источников излучения с длиной волны генерации, лежащей в условно безопасной для зрения области спектра (1.5-1.6 мкм), что чрезвычайно важно в связи с возникновением риска взаимодействия излучения с людьми. Для лазеров полуторамикронного диапазона, согласно ГОСТ 31581-2012, безопасно допустимыми являются энергии излучения лазеров наносекундных длительностей, на три порядка большие, чем для лазеров с длиной волны излучения в области 1 мкм. Дополнительным преимуществом таких лазеров, с точки зрения использования, является доступность фотоприемников с высокой чувствительностью в этом диапазоне, а также то, что этот диапазон находится в окне прозрачности атмосферы.

Широкое распространение в импульсной дальнометрии безопасного для зрения диапазона получили лазеры на основе Yb:Er фосфатного стекла. Эта среда является самой эффективной и доступной в настоящее время активной средой для создания лазеров указанного класса.

При создании лазеров безопасного для зрения диапазона в системах лазерной дальнометрии необходимо обеспечивать малую расходимость излучения и высокую пиковую мощность (при наносекундной длительности), так как эти характеристики определяют максимальную дальность и точность работы дальномера. Для обеспечения высокой пиковой мощности необходимо использовать лазеры, работающие в режиме модуляции добротности (МД). В настоящее время в дальномерах, в основном, применяют громоздкие дорогостоящие активные модуляторы добротности, которые требуют систем дополнительного управления, электропитания и сложной конструкции лазера. Альтернативным и более простым методом получения мощных наносекундных лазерных импульсов с расходимостью излучения, близкой к дифракционной, является использование пассивной модуляции добротности (ПМД). Такой режим осуществляется с помощью пассивных затворов (ПЗ) на основе нелинейно-оптических материалов - насыщающихся поглотителей (НП), пропускание которых нелинейно зависит от плотности энергии падающего излучения. Миниатюрные ПЗ не требуют внешнего управления, что позволяет минимизировать габариты и энергопотребление разрабатываемых лазеров и упростить их конструкцию.

Выбор материалов для ПЗ, работающих в диапазоне 1.5-1.6 мкм, невелик. По совокупности параметров лучшими сейчас являются монокристаллы алюмомагниевой шпинели с ионами кобальта, Со :MgAl₂04. Существенным

недостатком этого материала является сложность выращивания кристаллов, их дороговизна, трудность получения кристаллов высокого оптического качества. Известны альтернативные материалы, содержащие кристаллическую фазу шпинели Со :MgAl₂04 - однофазные прозрачные оптические керамики, низкое оптическое качество которых не позволяет в настоящее время использовать их в лазерных устройствах, и многофазные стеклокерамики (СК) - материалы, содержащие наноразмерные кристаллы, равномерно распределенные в стеклянной основе. Путем регулируемой кристаллизации стекол специальных составов по специально подобранным режимам термообработки возможно получение СК, содержащих допированные ионами Со²⁺ нанокристаллы различного состава, структуры и размеров. Это позволяет варьировать свойства получаемых материалов, в том числе спектральные и нелинейно-оптические. Для проверки того, обладают ли они требуемыми для использования в качестве ПЗ в лазерах на Yb:Er стекле характеристиками, а именно: нелинейным поглощением в области 1.5-1.6 мкм, высоким сечением поглощения из основного состояния, низкой плотностью энергии насыщения, временем восстановления начального поглощения порядка десятков-сотен наносекунд и высокой лучевой стойкостью возникла необходимость исследовать насыщающиеся поглотители на основе из новых составов стеклокерамик с Со²⁺-содержащими нанокристаллами различной природы.

Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы обусловлена необходимостью исследования спектральных и нелинейно-оптических свойств новых насыщающихся поглотителей из стеклокерамик на основе нанокристаллов, легированных ионами Со²⁺, которые могут быть использованы для обеспечения режима модуляции добротности в лазерах на Yb:Er стекле для применений в импульсной дальнометрии.

Целью диссертационной работы является исследование спектральных и нелинейно-оптических свойств новых насыщающихся поглотителей из стеклокерамик на основе различных нанокристаллов, легированных ионами Со²⁺, и подтверждение эффективности их работы как лазерных затворов в компактных лазерах на Yb:Er стекле.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:

сформулировать требования к насыщающимся поглотителям для работы в полуторамикронной области спектра; провести сравнительный анализ спектральных свойств и нелинейно-оптических характеристик существующих материалов для пассивных затворов этой спектральной области;

провести исследование спектроскопических свойств и нелинейно-оптических характеристик новых насыщающихся поглотителей на основе нанокристаллов, легированных ионами Со²⁺ в тетраэдрической координации, и обосновать выбор класса новых материалов для создания эффективного пассивного затвора, работающего на длине волны излучения лазеров на Yb-Er стекле 1.535 мкм;

провести анализ спектральных свойств ионов Со в прозрачных стеклокерамиках на основе различных нанокристаллов и их нелинейно-оптических характеристик для оценки перспективности применения насыщающихся поглотителей для обеспечения пассивной модуляции добротности в лазерах на основе кристаллов Er:YAG, излучающих в спектральной области 1.6-1.7 мкм,

экспериментально подтвердить работоспособность и преимущества насыщающихся поглотителей на основе стеклокерамик с различными нанокристаллами, активированными ионами Со²⁺, в макетах компактных лазеров на Yb:Er стекле.

Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем:

1. Определены спектральные и нелинейно-оптические характеристики новых насыщающихся поглотителей на основе прозрачных стеклокерамик, содержащих нанокристаллы с ионами Со²⁺ в тетраэдрической координации и различающиеся составом, структурой и размерами кристаллов основной фазы -ZnO, p-Zn₂Si0₄, y-Ga₂0₃, Li(Al,Ga)₅0₈ и Mg(Al,Ga)₂0₄.

2. Показано, что данные насыщающиеся поглотители обладают совокупностью спектроскопических и нелинейно-оптических характеристик для импульсов наносекундной длительности и малым светорассеянием в сочетании с высокой стойкостью к воздействию лазерного излучения, что позволяет их использовать в качестве пассивных затворов в лазерах на Yb:Er стекле.

3. На основе сравнительного анализа характеристик излучения лазера на Yb:Er стекле, работающего в режиме пассивной модуляции добротности с ПЗ из исследуемых стеклокерамик, выбраны оптимальные условия получения и термообработки последних;

4. Определены наиболее перспективные для изготовления пассивных затворов для лазеров на Yb:Er стекле материалы - галлийсодержащие

стеклокерамики с нанокристаллами Со :y-Ga₂0₃ и Со :Mg(Al,Ga)₂0₄. Характеристики ПЗ на их основе близки к наилучшим параметрам пассивных

9+

затворов на основе монокристаллов шпинели Со :MgAl₂0₄.

5) Показано, что для пассивной модуляции добротности эрбиевых
лазеров на основе монокристаллов, излучающих в спектральной области 1.6-1.7
мкм, и, в частности, лазеров на кристаллах Er:YAG с резонансной накачкой,
наиболее перспективны новые насыщающиеся поглотители на основе
стеклокерамик с нанокристаллами Co²⁺:ZnO, Co²⁺:P-Zn₂Si0₄, Co²⁺:y-Ga₂0₃ и

9+

Со :Mg(Al,Ga)₂0₄. Характеристики ПЗ на их основе существенно превосходят

9+

характеристики монокристаллов Со :MgAl₂0₄, обеспечивая более низкие значения плотности энергии насыщения поглощения.

6) С использованием исследованных насыщающихся поглотителей на
основе стеклокерамик с Со²⁺-содержащими нанокристаллами: Co²⁺:y-Ga₂0₃ и

9+

Со :Mg(Al,Ga)₂0₄ созданы образцы компактных лазеров безопасного для зрения диапазона на Yb:Er стекле, работающие в режиме ПМД и удовлетворяющие требованиям импульсной дальнометрии, а именно: имеющие высокую пиковую

мощность, малую расходимость, близкую к дифракционной, и низкое энергопотребление.

Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем, что исследованы спектральные и нелинейно-оптические свойства насыщающихся оптических поглотителей на основе стеклокерамик с кобальтсодержащими нанокристаллами. Показано, что эти насыщающиеся поглотители превосходят по своим нелинейно-оптическим и спектральным характеристикам известные на данный момент аналоги, а также, что они перспективны для применения в качестве пассивных затворов в лазерах на эрбийсодержащих стеклах и кристаллах, работающих в диапазоне 1.5-1.7 мкм. Созданные компактные лазеры на Yb:Er стекле с использованием пассивных затворов на основе исследованных насыщающихся поглотителей, излучающие в безопасной для зрения области спектра, применяемые в импульсной лазерной дальнометрии, по совокупности характеристик излучения соответствуют зарубежным аналогам, а по ряду параметров превосходят их.

Методы исследования.

При подготовке диссертационной работы был проведен обзор и анализ научной литературы по проблеме исследования. Спектры поглощения измерены при помощи двухлучевого спектрофотометра. Структура стеклокерамик изучена методом просвечивающей электронной микроскопии. Методом Z-сканирования определена плотность энергии насыщения и контраст просветления исследованных стеклокерамик. Методом «накачка-зондирование» измерено время восстановления начального поглощения. Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик выходного излучения созданных лазеров осуществлялось с использованием анализатора пространственного профиля пучка, быстрого фотоприемника, осциллографа и пироэлектрического измерителя энергии лазерного излучения.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

5. Большие значения поперечных сечений поглощения ионов кобальта Со²⁺из основного состояния на длине волны 1.54 мкм в прозрачных стеклокерамиках на основе наноразмерных (7-11 нм) кристаллов ZnO, P-Zn₂Si0₄, y-Ga₂0₃, Li(Al,Ga)₅0₈ и Mg(Al,Ga)₂0₄, которые близки к таковым для монокристаллов шпинели Со :MgAl₂0₄, обусловлены преимущественно тетраэдрической координацией ионов кобальта Со²⁺ в этих кристаллах.

6. Насыщающиеся поглотители на основе галлийсодержащих прозрачных стеклокерамик с нанокристаллами Co²⁺:y-Ga₂0₃ и Co²⁺:Mg(Al,Ga)₂0₄ перспективны для изготовления пассивных затворов для лазеров на Yb:Er стекле по совокупности нелинейно-оптических характеристик и эксплуатационных параметров стеклокерамик на длине волны 1.54 мкм (плотность энергии насыщения поглощения < 1 Дж/см , время восстановления начального поглощения сотни не в сочетании со стойкостью к воздействию лазерного излучения для импульсов наносекундной длительности > 18 Дж/см и малым светорассеянием).

3) Совокупность спектральных свойств (смещение полосы поглощения,
соответствующей переходу ⁴A₂(⁴F)—>⁴Ti(⁴F), в длинноволновую область спектра

9+

по отношению к таковой для монокристаллов Со :MgAl₂04) и нелинейно-оптических характеристик насыщающихся поглотителей на основе прозрачных стеклокерамик с нанокристаллами Co²⁺:ZnO, Co²⁺:P-Zn₂Si0₄, Co²⁺:y-Ga₂0₃ и

9+

Со :Mg(Al,Ga)₂0₄ делает эти материалы перспективными для обеспечения режима пассивной модуляции добротности эрбиевых лазеров на основе монокристаллов, излучающих в спектральной области 1.6-1.7 мкм.

4) Пассивные затворы на основе насыщающихся поглотителей из
галлийсо держащих прозрачных стеклокерамик с нанокристаллами Co²⁺:y-Ga₂0₃ и

9+

Co^z :Mg(Al,Ga)₂0₄ позволяют обеспечить режим пассивной модуляции добротности в компактных лазерах безопасного для зрения диапазона на Yb:Er стекле с высокой (более 180 кВт) пиковой мощностью излучения и расходимостью, близкой к дифракционной (не более 1.5 дифракционного предела), что соответствует требованиям импульсной дальнометрии.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных в результате работы результатов подтверждается использованием общепринятых методов исследования и проведения экспериментов. Материалы диссертационного исследования прошли апробацию в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях, в т.ч. международных:

15^th International Conference "Laser Optics 2012", Россия, Санкт-Петербург, 25-29июня2012г.

Международный симпозиум "Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies" (FLAMN-13),Poccm, Санкт-Петербург, 24-28 июня2013 г.

Ill всероссийский конгресс молодых ученых, Россия, Санкт-Петербург, 8-11 апреля 2014 г.

16^th International Conference "Laser Optics 2014", Россия, Санкт-Петербург, 30 июня - 4 июля2014 г.

SPIE Photonics West 2015, СІНА, Сан-Франциско, 7-12 февраля 2015 г.

SPIE International Conference on Photonics Solutions, Таиланд, Хуа-Хин, 6-9 июля 2015.

Ш-я Международная школа-семинар «Лазерная фотоника», Россия, Санкт-Петербург, 15-16 октября 2015 г.

17 International Conference "Laser Optics 2016", Россия, Санкт-Петербург, 27 июня - 1 июля 2016 г.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 14 публикациях, из которых 8 опубликованы в научных журналах, индексируемых Scopus, Web of Science и входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора. Постановка цели и задач данной научной работы, определение методов исследования, а также выбор путей решения поставленных задач осуществлялись автором настоящего диссертационного исследования с участием научного руководителя работы к. ф-м. н. Сомса Леонида Николаевича. Содержание и текст диссертации, включая основные положения, выносимые на защиту, представляют собой персональный вклад автора. Диссертант

непосредственно участвовал в разработке методик исследования, лично осуществлял проведение эксперимента, выполнил анализ результатов и формирование выводов. Подготовка к публикациям результатов проводилась совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 130 страницах, содержит 54 рисунка, 17 таблиц и список использованной литературы, включающий 127 наименований.

Основные спектральные характеристики насыщающихся поглотителей на основе тетраэдрически координированных ионов переходных металлов для лазеров на Yb:Er стекле

Рассмотрим принцип действия лазерных дальномеров и выделим основные характеристики источников излучения, применяемых в этих устройствах.

В основу работы бесконтактного дальномера положен сигнал (радио, ультразвуковой или оптический), который проецируется на объект с целью получения и обработки отраженного или рассеянного сигнала [14]. В области лазерной техники получили распространение импульсный и фазовый метод определения расстояний [15-18]. Лазерные фазовые дальномеры обладают существенно меньшей дальностью действия, до 500 м, по сравнению с импульсными, но при этом имеют большую точность измерений, до 0.5 мм. Это связано с тем, что в качестве источника излучения применяется непрерывный лазер, излучение которого промоделировано по гармоническому или импульсно-периодическому закону [19]. Предельная дальность работы фазовых лазерных дальномеров ограничена максимально допустимой мощностью излучений, разрешенной для использования по ГОСТ 31581-2012 [6]. Поэтому для измерения больших расстояний, хоть и с меньшей точностью, в лазерной технике применяется импульсный метод измерения расстояний.

Импульсный метод определения дальности основывается на подсчете времени, необходимого световому импульсу для преодоления расстояния от источника до объекта и от объекта до приемника излучения.

Схема импульсного лазерного дальномера (рисунок 1.4) включает в себя лазерный источник излучения, генерирующий импульсы длительностью 5-50 не, систему фиксации выходного сигнала, приемную оптическую систему отраженного сигнала, тактовый генератор и счетчик [20, 21].

Схема импульсного лазерного дальномера: 1-лазер, 2-светоделительная пластина, 3-передающая оптическая система, 4-собирающая линза, 5-фотодиод, 6-приемная оптическая система, 7-фотодиод, 8-таймер, 9 тактовый генератор [22]

Лазерный импульс проходит через передающую оптическую систему, которая необходима для уменьшения расходимости излучения. Часть излучения от светоделительной пластины падает на фотодиод, от которого поступает сигнал для запуска таймера времени пролета. На практике этим таймером является высокоскоростной счетчик, управление которым осуществляется с помощью тактового генератора. После этого импульс достигает объекта и отражается от него, рассеянное объектом излучение проходит через приемную оптическую систему, которая фокусирует излучение на чувствительный фотодиод. Обычно для лазерных дальномеров используют кремниевые лавинные фотодиоды или InGaAs полупроводниковые фотодиоды. Тип фотодиода выбирается в зависимости от длины волны лазерного излучения. Перед фотодиодом для устранения паразитных засветок устанавливают узкополосный оптический фильтр. При достижении заданного уровня сигнала, падающего на фотодиод, таймер получает сигнал «стоп». Измеренное время преобразуется в расстояние L до объекта по формуле: L = cAt/2, (1.1) где с - скорость света, At - измеренное время. Предельная дистанция и точность определения дальности зависят от параметров лазера, а именно, энергии, длительности импульса, расходимости и длины волны излучения.

Длительность импульса определяет точность измерения расстояния, так, например, для измерения расстояния с точностью 1 м необходим сигнал длительностью 6.7 не [14].

Увеличение дальности работы дальномера возможно при увеличении его пиковой мощности [3, 14, 23]. Запуск или остановка счётчика происходит при заданном соотношении сигнал-шум. Так как регистрация сигнала происходит либо на переднем, либо на заднем фронте, необходимо, чтобы профиль импульса имел большую амплитуду, резкое возрастание и резкий спад. При фиксированной длительности импульса увеличение энергии приводит к увеличению крутизны (спада) фронтов импульса, что способствует повышению точности измерения дистанции. Высокое значение пиковой мощности подразумевает и большую энергию импульса, что увеличивает вероятность обнаружения полезного сигнала на фоне шумов и максимальную дистанцию, на которой возможна работа дальномера. Пиковая мощность лазерного излучения определяется как: Ppeak=Eout/T, (1.2) где Eout - энергия излучения лазера, т - длительность импульса. Для определения максимальной дальности работы лазерного импульсного дальномера для диффузно отражающей поверхности используется формула [19, 24,25]: \Е 4S п = out пР т т т2 И 1} V Т Р (й ,ГЛ2Р ЄР Р атм К жУил 1 гпр где Рщ - мощность принимаемого излучения; 0Л - расходимость лазерного излучения; Г - увеличение передающей оптической системы; Snp - площадь входного окна; р0 - коэффициент отражения объекта; Тпер - коэффициент пропускания передающей оптической системы; Тпр - коэффициент пропускания приемной оптической системы; Татм - коэффициент пропускания атмосферы. Коэффициент пропускания атмосферы рассчитывается по формуле: Татм= ЄХР (- (XD), (1.4) где D - максимальное расстояние обнаружения объекта (дальность), аатм - показатель пропускания атмосферы.

Исследование насыщающихся оптических поглотителей из 9+ стеклокерамических материалов на основе смеси нанокристаллов Со :Р Zn2Si04 и Co2+:ZnO

Для новых эффективных НП были созданы прозрачные СК с 9+ нанокристаллами различных составов, легированными ионами Со . Методом Z-сканирования определены плотности энергий насыщения исследованных СК на длине волны генерации лазера на Yb:Er стекле, рассчитаны сечения поглощений из основного и возбужденного состояний. Методом «накачка-зондирование» измерено время восстановления начального поглощения на длине волны 1.54 мкм, которое должно быть не меньше длительности моноимпульса (-10 не) и не превышать время жизни верхнего лазерного уровня в Yb:Er стекле ( 8 мс). Исследованные СК установлены в макет лазера на Yb:Er стекле для получения представлений о возможности и эффективности их использования в компактных лазерах на Yb:Er стекле.

Исследованные в данной работе стеклокерамики были созданы и разработаны в АО «НИТИОМ ВИЦ «Государственный Оптический Институт им. СИ. Вавилова».

В настоящей главе приведено исследование структуры и нелинейно-оптических свойств новых прозрачных СК, содержащих наноразмерные 9+ кристаллы Со :ZnO и предназначенных для пассивной модуляции добротности в лазерах безопасного для зрения диапазона, в особенности, на стеклах и кристаллах, содержащих ионы Ег3+. Стекла состава 15K2O-30ZnO-16Al2O3-39SiO2 (мас%) [91, 92], легированные 0.05 и 0.1% СоО, были синтезированы в электрической лабораторной печи при температуре 1590С в течение 3 ч с последующим отжигом. Стекла были термообработаны при температурах от 650 до 750С в течение 2-24 ч. Исходные стекла были прозрачными и окрашенными в фиолетовый цвет, после термической обработки они оставались прозрачными, а их цвет изменялся на сине-зеленый.

Фазовый состав полученных СК определялся методом рентгенофазового анализа (РФА) (рисунок 2.1).

Средний размер кристаллов оценивался по уширению рентгеновских пиков в соответствии с формулой: КХ D, (2.1) A(26 )cos6 где X - длина волны излучения, 0 - угол дифракции, А(20) - полуширина рентгеновского пика и К - константа, которая принималась равной 1 [93, 94]. Погрешность оценки размеров кристаллов составляет 5% для кристаллов размером 2-15 нм.

Исходные стекла были рентгеноаморфными (рисунок 2.1). Термообработка в интервале температур 680-700С приводит к выделению нанокристаллов ZnO с гексагональной структурой вюрцита, в которой все ионы цинка и кислорода находятся в тетраэдрической координации [91]. Их средние размеры составляют 11 нм. 40 50 60 26 (degree)

Кривые смещены для удобства наблюдения. Вставка на рисунке фотография полированных образцов исходного стекла и СК Структура СК была также изучена методом электронной микроскопии. Для исследования растертые в порошок образцы были диспергированы в этаноле. Был исследован образец, полученный термической обработкой при 700С в течение 24 ч и содержащий нанокристаллы ZnO. Из рисунка 2.2 видно, что в этом образце темные области, содержащие наноразмерные кристаллы ZnO, равномерно распределены в остаточной стеклофазе. ЮОпт 20пт Рисунок 2.2 - Электронно-микроскопические снимки СК, легированной 0.1% СоО [95] Средний размер нанокристаллов, определенный из электронно-микроскопических снимков, составляет 11.2 ± 0.4 нм, что хорошо согласуется с данными РФА (-11 нм), а их форма близка к сферической. Спектры поглощения исходного стекла и СК показаны на рисунке 2.3, Спектр исходного стекла характерен для поглощения ионов Со2+ в алюмосиликатных стеклах [96, 97]. 400 800 1200 1600 2000 Wavelength (nm)

Спектр поглощения стекла и СК с 0.1 СоО. Вставка: полоса поглощения ионов Со2+ в тетраэдрической координации, обусловленная переходом 4A2(4F) — 4T!(4F) для (1) монокристалла Co2+:MgAl204, (2) СК с нанокристаллами Co2+:MgAl204 и (3) СК с нанокристаллами Co2+:ZnO [95] Кристаллизация оксида цинка сопровождается изменением в спектре поглощения. Край поглощения исходного стекла смещается из УФ в видимую область из-за кристаллизации оксида цинка; величина смещения зависит от режима термической обработки. Интенсивность обеих полос поглощения, обусловленных ионами Со , непрерывно увеличивается, а их форма изменяется.

Спектр содержит две широкие структурированные полосы поглощения в областях 470-720 нм (21000-14000 см"1) и 1100-1700 нм (9000-5800 см"1) с максимумами при 525, 590 и 640 нм и 1235, 1455 и 1660 нм. Этот тип спектра характерен для ионов Со2+ в искаженной тетраэдрической координации в силикатных стеклах [98]. Однако относительно низкая интенсивность полос поглощения предполагает вклад в поглощение ионов Со2+ в октаэдрической координации [96, 99, 100], имеющих полосу поглощения при 525 нм, которая совпадает с одним из пиков, связанных с поглощением ионов Со2+ в искаженной тетраэдрической координации [96, 97, 100].

В видимой части спектра происходит постепенное уменьшение поглощения на длине волны 525 нм, появляется пик на 565 нм, происходит сдвиг полос поглощения при 590 и 640 нм до 607 и 643 нм, соответственно, с увеличением их интенсивности. Широкая полоса поглощения в диапазоне 1.2-1.7 мкм сужается; пики становятся более отчетливыми, чем в спектре исходного стекла. Эта широкая полоса имеет максимумы на 1.29, 1.42, 1.49 и 1.64 мкм.

Полосы поглощения, наблюдаемые для СК, хорошо совпадают с полосами в 9+ спектре поглощения кристаллов Со :ZnO [101, 102], и они могут быть отнесены к 9+ d-d переходам тетраэдрически координированных ионов Со в нанокристаллах оксида цинка. Увеличение количества оксида цинка сопровождается увеличением поглощения тетраэдрически координированных ионов Со2+.

На вставке на рисунке 2.3 приведены спектры поглощения, связанные с переходами 4A2(4F) —4Ti(4F) ионов Со2+ в СК на основе нанокристаллов Co2+:ZnO, полученных термической обработкой при температуре 700С, в СК, содержащей нанокристаллы Co2+:MgAl204, и спектр монокристалла Co2+:MgAl204. Были определены длинноволновые края поглощения Xfh (длина волны, при которой интенсивность поглощения соответствует половине интенсивности в максимуме поглощения) для этих полос. Для СК на основе нанокристаллов 9+ 9+ Со :ZnO Xth = 1.73 мкм, для монокристаллов Со :MgAl204 =1.58 мкм, а для СК 9+ на основе Coz :MgAl204 Хъ = 1.63 мкм. Таким образом, предложенные СК являются перспективными для пассивной модуляции добротности эрбиевых лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1.5-1.8 мкм.

Исследование насыщающихся оптических поглотителей из стеклокерамических материалов на основе нанокристаллов 9+ литиевоалюмогаллиевой шпинели Со :Li(Al, Ga)5Os

Интерес с точки зрения создания пассивных затворов представляют кристаллы y-Ga203, материала, который является дефектной кубической катион -дефицитной шпинелью с частично заполненными тетра- и октаэдрическими катионными позициями [109, ПО]. В связи с тем, что кристалл y-Ga203 со структурой шпинели содержит крупные ионы Ga в окта- и тетраэдрических позициях, сила поля лигандов вокруг ионов кобальта оказывается слабее, чем в кристаллах алюминатных шпинелей. Таким образом, полоса поглощения, обусловленная ионами Со в кристаллах y-Ga203 со структурой шпинели, смещена в инфракрасную область спектра по сравнению со спектрами алюминатных шпинелей [111], что должно позволить применять данные НП в лазерах не только на на Yb:Er стекле, но и на кристаллах. Таким образом, Со :у-Ga2C 3 является перспективным материалом для нового насыщающегося поглотителя в лазерах на Yb:Er стеклах. Структура кобальтсодержащего оксида галлия со структурой шпинели подробно рассмотрена в работе [112].

Известно, по меньшей мере, пять модификаций Ga203 с различной структурой: а, Р, у, 5 и є [113]. Термодинамически стабильной формой является Р-модификация [114]. y-Ga2C 3 получают либо сольвотермальным окислением металлического галлия, либо путем контролируемого осаждения из водных растворов. Альтернативой этих методов является создание прозрачных СК, содержащих нанофазу y-Ga203.

Были созданы новые прозрачные СК на основе наноразмерных кристаллов y-Ga2C 3, активированные ионами кобальта, и исследованы их структурные, оптические и нелинейно-оптические свойства. Для синтеза было выбрано стекло состава (мол%): 13Li20-23Ga203-64Si02, легированное 0.1 мол% СоО. Оно было синтезировано из особо чистых реактивов при температуре 1580С в течение 4 ч с принудительным перемешиванием, отлито на металлическую плиту и отожжено в муфельной печи при температуре 640С. Стекло было термообработано при температуре от 680 до 800С в течение 6 часов. Рентгенограммы исходного и термообработанного стекла приведены на рисунке 2.13. y-Ga203 LiGaSi206

Исходное стекло рентгеноаморфно. В образцах, термообработанных при температуре от 680 до 780С, наблюдаются дифракционные максимумы, свойственные кубическим кристаллам у-ОагОз. Образцы, термообработанные при температуре ниже 790С, прозрачны. В образцах, прошедших термическую обработку при 800С, наблюдаются дифракционные максимумы от тетрагональных кристаллов ЬЮаБігОб, и образцы становятся непрозрачными. СК, полученные при более высоких температурах, непрозрачны; они содержат следы Li2Si03 и Р-кварцевого твердого раствора в дополнение к у-ОагОз и ЬЮаЗігОб. Размер кристаллов у-ОагОз составляет от 7 до 20 нм при увеличении температуры термообработки от 680 до 800С.

Параметр элементарной ячейки а для нанокристаллов шпинели был рассчитан из положений дифракционных максимумов на рентгенограммах и составил, а = 8.230 А для образца, прошедшего термообработку при 730С. Для дальнейшего исследования были выбраны прозрачные образцы, полученные термообработкой при 730С в течение 6 ч и содержащие только кристаллы у-Ga203.

Исходное стекло было прозрачным, фиолетового цвета и рентгеноаморфным. После термообработки при 680С и выше, цвет образцов изменился на синий. Спектры поглощения исходного и термообработанного при 730С стекла, показаны на рисунке 2.14.

Спектр исходного стекла типичен для поглощения ионов Со2+ в октаэдрической и тетраэдрической координациях. Спектр резко меняется с термообработкой: его форма изменяется из-за исчезновения полос поглощения, связанных с ионами Со2+ в октаэдрической координации. Доля четырехкоординированных ионов кобальта увеличивается, что приводит к увеличению поглощения. Например, при термической обработке при температуре 730С поглощение возрастает почти в 10 раз, что является ярким свидетельством вхождения ионов Со2+ в наноразмерные кристаллы y-Ga203.

Таким образом, спектр образца СК имеет полосы поглощения, характерные для ионов Со2+, находящихся в тетраэдрической координации. Широкая полоса поглощения в диапазоне 1.3-1.7 мкм связана с переходом из основного состояния 4A2g — (4F) в возбужденное состояние 4Tig — (4F). Интенсивные и структурированные полосы с локальными максимумами на длинах волн 559, 597 и 648 нм, а также слабовыраженный пик на 489 нм возникают из-за перехода из основного состояния 4A2g — (4F) в возбужденное состояние 4Tig — (4Р) и из спин 9 9 9 запрещенных переходов на близко расположенные уровни Tlg и Eg —» ( Р). 94- Л. Электронный переход на самое низкое возбужденное состояние ионов Coz , HT2g — (4F), запрещен в неискаженном кристаллическом поле, поэтому связанные с ним полосы не наблюдаются в спектре поглощения.

Как уже упоминалось выше, данные СК на основе шпинелей - мало рассеивающие материалы. Из рисунка 2.14 видно, что термообработка исходного стекла вызывает увеличение потерь из-за рассеяния света [115]. Это приводит к сдвигу края УФ поглощения от 270 нм для исходного стекла до 310 нм для СК. Кроме того, потери в диапазоне прозрачности усиливаются. На длине волны 1 мкм они составляют 0.4 см"1 (определено после вычитания френелевских потерь; показатель преломления СК после термообработки при 730С составляет 1.592). В предположении, что потери на рассеяние зависят от длины волны света как 1/Х4, потери на длине волны 1.54 мкм ниже 0.08 см"1. Тем не менее, это завышенная оценка. Как правило, величина потерь в прозрачных СК на основе нанокристаллов шпинелей уменьшается быстрее, чем в модели рэлеевского рассеяния. Это происходит из-за интерференции. Полученные оценки для потерь (Xioss согласуются с полученными ранее результатами для прозрачных СК с

94 нанокристаллами Со :MgAl204 [116, 103, 104]. Стоит отметить, что такой уровень потерь не влияет на свойства насыщения поглощения СК на основе шпинелей, и они не уступают высококачественным монокристаллам Co2+:MgAl204[117].

Интерес вызывает относительное положение полосы поглощения для насыщающегося поглотителя, связанное с переходом 4A2g(4F) 4Tig(4F). На рисунке 2.15 представлены спектры поглощения СК содержащие нанокристаллы Со2+:у-Оа2Оз и Co2+:MgAl204, в диапазоне 1.0-2.0 мкм.

Экспериментальное исследование

Для лазера с рассмотренными НП длительность импульсов по полувысоте составила от 7.2 и 8.5 не, что позволило оценить погрешность определения расстояния для систем дальнометрии на их основе. Она составляет от 1.06 до 1.25 м, согласно [14]. Были измерены поперечные распределения излучения компактного лазера на Yb:Er стекле в фокусе 250 мм линзы в режиме ПМД с НП на основе нанокристаллов Co2+:y-Ga203 и Co2+:Mg(Al,Ga)204. На рисунке 3.16 представлены фотографии полученных поперечных распределений. Co2h:y-Ga2Oj ex = 3.83mrad. Єу = 4.60 mrad.

При работе с рассмотренными НП наблюдалось ассиметричное распределение пучка по осям, что связано с наличием астигматизма в резонаторе из-за положения НП под углом Брюстера и неравномерностью прокачки в активном элементе. Пространственное распределение излучения аппроксимируется функцией Гаусса со средней относительной ошибкой аппроксимации 6% по горизонтальной оси, и 5% по вертикальной оси, поэтому можно сделать вывод, что асимметричность распределения излучения не оказывает значительного влияния на качество пучка. Размер моды на выходе из резонатора при использовании рассматриваемых НП, составил 0.75-0.65 мм , исходя из чего была определена дифракционная расходимость по осям X и Y для гауссова распределения энергии по формуле: где d - размер моды, X - длина волны излучения.

Дифракционная расходимость по координате X составила 2.6 мрад, по координате Y - 3.0 мрад. Расходимость лазера была определена в дальней зоне по уровню 87% энергии, в фокусе 250 мм линзы, полученные значения представлены в таблице 3.4.

Расходимость компактного лазера с боковой диодной накачкой в режиме ПМД с исследованными НП Тип затвора То, % 8Х, мрад 8V, мрад 0x/0dif(x), мрад 0x/0dif(v), мрад НП из СК на основе Co2+:y-Ga203 85,4 3,83 4,60 1,47 1,54 НП из СК на основе Co2+:Mg(Al,Ga)204 87,7 3,25 4,35 1,25 1,45 где Т0 - начальный коэффициент поглощения; 0Х и 0У - расходимость лазерного излучения по оси х и у, соответственно; Gx/9dif(X) и 0x/9dif(y) -дифракционная расходимость лазерного излучения по оси х и у, соответственно

Полученные результаты подтверждают, что лазер работает в основной поперечной моде с НП. Расходимость лазера по осям X и Y не превышает 1.6 дифракционного предела. Так как для рассмотренных НП расходимость лазера имеет приблизительно одинаковые значения, то выбор НП обусловлен совокупностью параметров лазера: энергией в импульсе, длительностью импульса, расходимостью и энергопотреблением. В связи с этим, было решено рассмотреть два варианта исполнения компактного лазера на Yb:Er стекле с боковой диодной накачкой.

Созданные лазеры смонтированы в металлический корпус с различными НП. В лазере с использованием НП из СК на основе нанокристаллов Co2+:Mg(Al,Ga)204 продемонстрирована возможность работы на частоте следования импульсов 1 Гц с энергопотреблением 0.55 Вт. Для данного лазера полный оптический КПД составляет 0.63%, что обеспечивает низкое энергопотребление. Габариты данной системы составили 32x16x15 мм .

В лазере с использованием НП из СК на основе нанокристаллов Со :у-ОагОз продемонстрирована возможность работы на частоте следования импульсов 1 Гц с энергопотреблением 0.78 Вт. Преимуществом использования НП из СК на основе нанокристаллов Со :у-ОагОз в компактном лазере на Yb:Er стекле является энергия 1.39 мДж и длительность импульса 7.2 не. В лазере, с использованием НП из СК на основе нанокристаллов Co2+:y-Ga203 удалось достигнуть максимальной пиковой мощности 188 кВт, что обеспечивает точность измерений дальности 1 м [14]. Габариты лазера составили 32x16x15 мм .

Была продемонстрирована возможность коротковременной работы созданных лазеров с частотой следования 5 Гц. Лазер с боковой диодной накачкой с НП из СК на основе Co2+:Mg(Al,Ga)204 (ILP 1.2) и лазер с боковой диодной накачкой с НП из СК на основе Со2+:у-ОагОз (ILP 1.4) были размещены в жестком металлическом корпусе с одинаковыми габаритами - 32x16x15 мм . На рисунке 3.17 представлена фотография созданного лазера ILP 1.4 для импульсного дальномера. Созданные лазеры могут быть интегрированы в различные импульсные дальномеры.

Была произведена оценка предельной дальности обнаружения объекта дальномера на основе созданных лазеров при наличии формирующей оптики передающего канала с кратностью увеличения 10 . Таким образом, расходимость лазеров на выходе передающего канала составила 0.46 и 0.43 мрад при 9+ использовании НП из СК на основе нанокристаллов Со :у-ОагОз и НП из СК на 9+ основе нанокристаллов Со :Mg(Al,Ga)204, соответственно. Результаты расчета предельной дальности обнаружения объекта для созданных лазеров с пиковыми мощностями излучения 188 и 135 кВт при 9+ использовании НП из СК на основе нанокристаллов Со :y-Ga203 и НП из СК на 9+ основе нанокристаллов Со :Mg(Al,Ga)204, соответственно, представлены в таблице 3.6 и соотносятся с аналогами, представленными в пункте 1.3.

Таким образом, разработаны компактные лазеры на Yb:Er стекле с боковой диодной накачкой с исследованными НП на основе нанокристаллов Со :Mg(Al,Ga)204 и Со :y-Ga2Os- Совокупность выходных характеристик созданных компактных лазеров обуславливает их перспективность в системах импульсной дальнометрии.