Спектроскопические и генерационные характеристики ионов редкоземельных элементов (Yb, Er, Pr, Nd) в новых лазерных материалах Лагацкий, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации.

Разработка лазерных систем разного класса непосредственно связана с необычайно широкими возможностями их использования, начиная от фундаментальных исследований и заканчивая конкретными технологическими задачами на производстве. Особое место среди лазеров различных типов занимают твердотельные лазеры на основе кристаллов, активированных ионами переходных и редкоземельных элементов. Основными достоинствами таких систем по сравнению с газовыми или жидкостными лазерами являются высокая надежность, долговечность и компактность (при использовании систем с диодной накачкой). Результатом вышеуказанных преимуществ стало широкое использование лазеров на кристаллах в медицине, различных технологиях обработки материалов, газовом анализе, дальнометрии, системах связи.

Одним из важнейших этапов разработки эффективных твердотельных лазеров является поиск активной среды. На сегодняшний день известно более двухсот матриц-основ, использующихся для активирования генерирующими ионами, на основе которых создано более трехсот лазерных кристаллов, большую часть которых составляют оксидные и фторидные соединения, активированные ионами редкоземельных элементов (Ln³⁺). Однако немногие из них нашли свое широкое применение.

Быстрый прогресс в технологии создания полупроводниковых лазеров в последнее десятилетие привел к использованию их в качестве источников селективной накачки твердотельных лазеров и созданию полностью твердотельных лазерных систем и мини-лазеров. В результате расширения диапазона длин волн излучения диодов и увеличения их мощности происходит постепенное вытеснение лазеров с ламповой накачкой. Использование селективной диодной накачки приводит к пересмотру требований, предъявляемых к лазерному материалу. Возможность точной подстройки длины волны излучения диода в полосу поглощения активного иона способствовала возобновлению интереса к лазерным средам, не нашедшим широкого применения в системах с ламповой накачкой, а также появлению новых сред, ориентированных на селективную накачку. Так, например, самый распространенный до последнего времени кристалл иттрий-алюминиевого граната с ионами Nd³"¹" оказался не самым лучшим материалом для диодной накачки и вытесняется кристаллами YV04:Nd³⁺ и GdV04:Nd³⁺ В настоящее время активно исследуются лазерные среды на основе ионов Yb³⁺, которые

обладают принципиально важными преимуществами по сравнению ионами Ш^3т. В первую очередь, это малые тепловые потери, большо время жизни верхнего лазерного уровня и возможность получени перестройки длины волны излучения. Однако, на сегодняшний дев предельно возможный к.п.д. генерации данного класса лазеров (боле 80%) не достигнут. Нерешенной остается проблема поиска эффективны сред для твердотельных лазеров, излучающих в области 1.5 мк& имеющих широкое применение в офтальмологии и волоконне оптических системах связи, а также лазеров видимого диапазона спектр для создания на их основе больших проекционных экранов. Для решени вышеуказанных задач в основном исследуются кристалль; активированные ионами Ег³* и Рг³⁺. Для осуществлена целенаправленного поиска наиболее эффективных из них необходим» проведение детальных спектроскопических исследований, в том числі изучение поглощения из возбужденных состояний, являющегос: основным источником потерь как в канале генерации, так и в каналі накачки.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Часть работы выполнена в рамках Межвузовской программа фундаментальных исследований "Лазер" Министерства образования РБ № госрегистрации 19961935 (1996-2000 г.г.). Отдельные разделы работь выполнены в рамках научно-исследовательских работ по заданию 1.0; ГНТП "Лазер" Госкомитета по науке и технологиям РБ, К госрегистрации 19971478 (1997-1999 г.г.), а также по проекту финансируемому Белорусским республиканским фондом фунда^ ментальных исследований, № госрегистрации 19971481 (1997-1999 г.г.). Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы - поиск новых лазерных сред для систем с диодной накачкой на основе кристаллов, легированных ионами редкоземельных элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи;

- исследовать спектроскопические и генерационные характеристики
кристаллов калий-иттриевого и калий-гадолиниевого вольфраматов с
ионами Yb³⁺;

- определить характеристики межмультиплетных излучателъных
переходов иона Ег³⁺ в кристалле KY(W0₄)2, изучить процессы
поглощения из возбужденных, состояний в видимой и ИК областях
спектра и предложить механизм возбуждения ап-конверсионной
генерации;

исследовать процессы переноса энергии в кристалле Er³⁺:KY(W0₄)₂, соактивированном ионами иттербия, и определить возможность получения генерации в области 1.5 мкм;

- исследовать поглощение из возбужденных состояний ионов Рг³⁺ в оксидных кристаллах Y₂Si0₅ и Gd₂Si0₅.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования данной работы являлись оксидные кристаллические диэлектрические материалы, легированные ионами редкоземельных элементов (Yb, Er, Рг, Nd).

Предмет исследования - спектроскопические и генерационные характеристики примесных ионов редкоземельных элементов в кристаллах.

Методология и методы проведенного исследования.

Исследования выполнялись методами стационарной и нестационарной спектроскопии оптического поглощения, люминесценции и стимулированного излучения.

Научпая новизна и значимость полученных результатов.

1. Определены спектроскопические характеристики и впервые реализо
вана эффективная генерация лазерного излучения на ионах иттербия в
кристаллах KY(W04)2 и KGd(W04):z при непрерывной диодной накачке
в области 980 нм.

1. На основе сопоставления спектров стимулированного излучения и поглощения из возбужденных состояний в области 550 нм иона Ег³⁺ в матрице KY(W04)i, исследования динамики возбужденных состояний, а также сопоставления спектров поглощения из основного и возбужденных состояний в области 800 нм показана возможность реализации ап-конверсионной генерации на ионах Ег³* в зеленой области спектра.

2. Обнаружен эффективный перенос энергии возбуждения Yb³⁺->Er³⁺ в кристалле Er³*, Yb³⁺:KY(W0₄)₂, и впервые реализована генерация на ионах Ег³⁺ в области 1.5 мкм при накачке лазером на сапфире с титаном и диодной накачке в полосы поглощения ионов Yb³⁺.

3. Оценены сечения поглощения из возбужденного состояния ³Ро ионов Рг³⁺ в кристаллах силикатов иттрия и гадолиния в области 300-600 нм. Установлено, что поглощение из возбужденного состояния в полосе поглощения препятствует получению генерации на указанных материалах в видимой области спектра.

5. Определены спектроскопические характеристики ионов Nd³⁺ в
кристаллах CaGdA104, и реализована эффективная генерация в области
1.08 мкм на ионах Nd³⁺ при непрерывной диодной накачке.

Практическая (экономическая) значимость полученных результатов.

Предложены новые активные среды для твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе кристаллов KY(W0₄)₂ и KGd(W0₄)₂, легированных ионами Yb³⁺. Планируется разработать и освоить в серийном производстве компактный твердотельный перестраиваемый лазер с диодной накачкой на основе указанных материалов (в рамках ГПТП "Лазер" на 1999-2000 г. г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Кристаллы калий-итгриевого и калий-гадолиниевого вольфраматов,
легированные ионами трехвалентного иттербия, характеризуются
эффективностью генерации (дифф. к.п.д.) свыше 45% и диапазоном
перестройки длины волны лазерного излучения 1025-1045 нм в
непрерывном режиме работы при диодной накачке в области 980 нм и
являются перспективными активными средами для мини-лазеров.

4. Наведенное поглощение в кристалле Er³⁺:KY(W04)2 в видимой и ИК областях спектра при непрерывном возбуждении обусловлено переходами из первого возбужденного состояния ⁴1н/2 ионов Ег³⁺.

5. Возбуждение излучательных переходов в области 550 нм из состояния ⁴S₃/2 ионов Ег³⁺ в кристалле KY(W0₄)₂ достигается при использовании излучения накачки с длиной волны 800 нм благодаря спектральному-перекрытию полос поглощения ⁴Іі5/2"⁴І9/2 из основного состояния и ⁴Ііз/2-²Нц/2 из возбужденного состояния.

4. Эффективное заселение состояния ⁴1ш2 ионов Ег³⁺ в кристалле Er³⁺(0.5%),Yb³⁺(5%):KY(WO₄)₂ осуществляется при селективном возбуждении в полосы поглощения ионов Yb³⁺ вследствие процессов переноса энергии в системе Yb³⁺(²F5/2)->Er³⁺(⁴In/₂) (г|=45%) и быстрой безызлучательной релаксации в канале ⁴1ц/2 - ⁴Ііз/2 ионов Ег³* (7.78х lOV¹).

5. Кристаллы CaGdA10₄:Nd³⁺ характеризуются сечениями стимулированного излучения 1.1x10"¹⁹ см² на длине волны 1.078 мкм (ЕНс),

временем ЖИЗНИ ВОЗбуЖДеННОГО СОСТОЯНИЯ ⁴F3/2 около 140 мкс,

полушириной полосы накачки 3.3 нм и позволяют реализовать к.п.д. генерации 37% при накачке непрерывным излучением лазерного диода. Личный вклад соискателя.

Похожие диссертации на Спектроскопические и генерационные характеристики ионов редкоземельных элементов (Yb, Er, Pr, Nd) в новых лазерных материалах

Исследование спектрально-генерационных, голографических и акусто-оптических характеристик материалов и элементов оптоэлектроникиАзаматов, Закиржан Тахирович

Исследование спектроскопических характеристик многозарядных ионов методом релятивистской теории возмущений с модельным нулевым приближениемИвано, Е.П.

Особенности спектроскопических характеристик редкоземельных ионов (Nd, Er, Tm, Ho, Dy) в кристаллах со структурой гранатаБольшакова, Евгения Владимировна

Спектроскопические, фотохимические и лазерные характеристики флюоритоподобных кристаллов, активированных ионами Ce3+Марисов, Михаил Александрович

Спектральные характеристики дважды возбужденных состояний многозарядных гелиеподобных ионовГерасимович, Елена Александровна

Влияние катионов основы на спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов двойных фторидов со структурой шеелита, активированных ионами Ce3+Низамутдинов Алексей Сергеевич

Спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов Na0,4Y0,6F2,2, активированных редкоземельными ионамиГордеев Егор Юрьевич

Закономерности безызлучательных переходов в ионах редкоземельных элементов с позиций индуктивно-резонансной теории Тимофеев Николай Тимофеевич

Компьютерное моделирование спектров ЭПР радиационных дефектов и переходных элементов в ион-имплантированных стеклах и в тонких аморфных пленкахПрушинский Сергей Анатольевич

Особенности переноса энергии электронного возбуждения между ионами хрома и редкоземельных элементов в кристаллах гранатовПривис, Юрий Семенович