Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 24
1.1. Твердотельные лазеры на кристаллах ванадатов с полупроводниковой накачкой.
24
1.2. Лазерные среды на основе кристаллов ванадатов. Ортованадаты редкоземельных элементов: кристаллохимия и структура соединений . 25
1.3.Физико-химические свойства кристаллов ванадата 30
1.4. Спектроскопические параметры кристаллов ванадатов 33
1.4.1. Спектры поглощения кристаллов ванадатов 36
1.4.2. Спектры люминесценции кристаллов ванадатов 40
1.4.3 Спектральные и генерационные характеристики смешанных ванадатов. 45
1.5. Нелинейные параметры кристаллов ванадатов 46
1.5.1 ВКР лазеры на кристаллах ванадатов 46
1.5.2 Керровская нелинейность. 48
1.6. Двухчастотные лазеры 50
1.7. Методы управления временными параметрами лазеров. 54
1.8. Медицинские приложения. 61
Выводы к Главе 1. 64
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 И Nd3+:Sc1-хYхVO4 НА ПЕРЕХОДАХ 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/ 66
2.1. Поляризационно- угловые спектральных параметры кристаллов ванадатов на переходах 4F3/2–4I11/2 иона неодима. 67
2.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на основе кристаллов ванадатов . 79
2.3.1. Методы формирования новых активных сред лазеров на комбинации разнотипных кристаллов ванадатов. 80
2.3.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на кристаллах смешанных ванадатов. 81
2.4 Перестройка частоты лазеров на кристаллах ванадатов 82
2.4.1. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси а для
- поляризации излучения. 83
2.4.2. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси с. 85
2.4.3. Лазеры на кристаллах ванадатов, вырезанного под углом ( = var, =0) 88
2.5. Лазеры с диодной накачкой на основе кристалла Nd:GdVO4 91
2.6. Высокоэффективные лазеры на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gd 1-xYx VO4 с диодной накачкой 100
2.6.1. Лазерная генерация на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gd1-хYхVO4 на
переходах 4F3/2–4I9/2 103
2.6.2. Лазерная генерация на переходах 4F3/2–4I11/2. 104
2.7. Влияние структурного несовершенства кристаллов ванадатов на генерационные характеристики лазеров с полупроводниковой накачкой. 105
2.8. Кристаллы смешанного иттрий-скандиевого YxSc1-xVO4:Nd3+ ванадата 111
Выводы к Главе 2. 113
ГЛАВА 3. Двухчастотная генерация для терагерцовых приложений 115
3.1. Методы получения двухчастотной генерации излучения с использованием кристаллов ванадатов. 115
4
3.1.1. Исследования двухчастотной генерации излучения с внесением дополнительных спектральноселективных потерь. 118
3.1.2. Исследования двухчастотной генерации излучения с управлением усилением активной среды 127
3.1.3 Исследования двухчастотной генерации с поляризационным разделением излучения 130
3.2. Двухчастотные лазеры с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном, нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации. 132
3.2.1.Исследование непрерывной двухчастотной генерации в кристаллах ванадатов 132
3.2.2.Пассивный и активной режимы модуляции добротности двухчастотных лазеров. 133
3.2.3. Комбинированный режим работы двухчастотных лазеров с активной синхронизацией мод 136
3.3. Усилитель двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения на основе кристаллов ванадатов 141
3.3.1 Усилитель с продольной накачкой 142
3.3.2 Усилитель на слэбе скользящего падения с поперечной накачкой 143
3.4. Генерация терагерцового THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe. 144
3.5 Выводы к Главе 3. 148
Глава 4. Управление временными параметрами лазеров на кристаллах ванадатов 149
4.1. Исследования нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки 152
4.1.1 Спектры поглощения нанотрубок 152
4.1.2 Исследование насыщения поглощения в нанотрубках методом фемтосекундной
лазерной спектроскопии «возбуждения-зондирования» 153
4.2. Пассивная синхронизации мод в твердотельных лазерах на кристаллах
ванадатов с насыщающимися поглотителями на основе нанотрубок 162
4.3. Активная и пассивная синхронизация мод в Nd:Gd0.7Y0.3VO4 лазере с диодной накачкой 168
4.4. Режим пассивной синхронизации мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS 175
4.4.1 Модуляция добротности на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS 179
4.4.2 Пикосекундный лазер на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS 183
4.5 Фемтосекундный лазер на кристаллах ванадатов. 189
4.6. Выводы к Главе 4. 194
Глава 5. Лазеры на кристаллах ванадатов с пассивной модуляцией добротности на затворах Cr4+:YAG И V3+:YAG. медицинские приложения . 197
5.1. Исследования генерационных свойств активных сред на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси a для – поляризации излучения 203
5.2. Пассивная модуляция добротности лазеров на на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для - поляризации 215
5.3. Nd3 +: GdVO4 -лазер на основе кристаллов, вырезанных под углом (= 25 , = 0)
с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG. 220
5.4. Лазер с ВКР самопреобразованием на композитных кристаллах иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG. 224
6
5.4.1 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси a для - поляризации 225
5.4.2 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных, под углом ( = 25 , = 0), в режиме пассивной модуляции добротности с затворами Cr4+:YAG 227
5.5 Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YVO4 - YVO4 ванадатов. 230
5.5.1. Nd3 +: YVO4 - YVO4- лазер на основе композитных кристаллов, вырезанных под углом (= 25 , = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG 232
5.5.2. Преобразование частоты лазеров на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для - поляризации 237
5.5.3. Системы генератор-усилитель на основе на основе кристаллов ванадатов 240
5.7. Лазерная медицинская установка на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4 242
5.8. Выводы к главе 5. 246
Основные результаты и выводы работы 248
Заключение 250
Список использованных источников 251
- Лазерные среды на основе кристаллов ванадатов. Ортованадаты редкоземельных элементов: кристаллохимия и структура соединений
- Методы формирования новых активных сред лазеров на основе кристаллов ванадатов
- Исследования двухчастотной генерации с поляризационным разделением излучения
- Пассивная модуляция добротности лазеров на на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для - поляризации
Введение к работе
Актуальность темы
Разработка высокоэффективных твердотельных лазеров нового поколения, расширение их функциональных возможностей и методов управления режимами их генерации позволяет обеспечить прогресс в развитии оптической связи, навигационных систем, лазерной медицины, биотехнологий, мониторинга окружающей среды и в других направлениях. Развитие современной лазерной физики для решения многих научных и практических задач требует разработки и создания полностью твердотельных, компактных, высокоэффективных источников лазерного излучения, работающих в новых спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных (нано-, пико- и фемтосекундных) режимах. Поэтому разработка новых подходов к созданию источников когерентного лазерного излучения, поиск новых активных лазерных сред, получение генерации на новых длинах волн с использованием уже известных лазерных материалов, создание новых матриц, активированных традиционными ионами редкоземельных элементов, является актуальной задачей современной лазерной физики, как с научной, так и с практической точки зрения.
Основной прогресс в создании эффективных полностью твердотельных лазерных систем в новых спектральных областях связан с использованием диодной накачки.
Кристаллы ванадатов Nd3+:YVO4 , Nd3+:GdVO4, Nd3+:LuVO4, Nd3+:LaVO4, и смешенных ванадатов типа Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 – лучшие материалы для создания лазеров с диодной накачкой. Они обладают большими сечениями поглощения и вынужденного излучения, широкими линиями поглощения излучения накачки. Кристаллы ванадатов являются хорошими ВКР-преобразователями, обладают высокими значениями двулучепреломления и нелинейными (керров-скими) коэффициентами. Сочетание спектральных, нелинейных и механических свойств этих кристаллов приводит к высокой эффективности лазеров, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Анизотропия кристаллической решётки ванадатов позволяет получать поляризованное излучение, а высокая тепло-
проводность способствует лучшему охлаждению активной среды. Преобразование длины волны излучения путем параметрической генерации, ВКР-преобразований, генерации гармоник, а также суммарных и разностных частот позволяет использовать уже имеющиеся источники лазерного излучения для расширения спектрального диапазона.
Большинство известных работ посвящено использованию кристаллов ва-надатов, вырезанных вдоль оси а для -поляризации (Е \\ с) лазерного излучения, поскольку в этом случае наблюдается наибольшее усиление. На основе таких кристаллов ванадатов реализовано большое количество лазерных систем с рекордными энергетическими параметрами.
С другой стороны, большое сечение вынужденного излучения для -поляризации является серьёзным недостатком для работы в режиме пассивной модуляции добротности с широко используемыми насыщающимися поглотителями на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG. Высокое усиление активной среды в этом случае ограничивает накопление инверсии, что приводит к малой энергии генерируемого импульса и низкой пиковой мощности.
Широкое использование анизотропных свойств ванадатов требует уточнения их спектральных свойств. Приводимые в литературе спектры люминесценции для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, на переходе 4Fy2-4IU/2 для -поляризации значительно отличаются друг от друга. Характерной особенностью многих из них является положение абсолютных максимумов в спектрах люминесценции на переходе 4Fy2-4In/2 для -поляризации. Различие свойств кристаллов ванадатов вдоль разных кристаллографических осей позволяет при необходимости выбирать направления, вдоль которых изменяются сечения усиления. Однако детальных исследований поляризационно-угловых зависимостей усиления на различных участках спектра проведено не было.
Экспериментальные исследования поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04, Nd3+:Gdi_хYхV04 и Nd3+:SCl.хYхV04 на переходах V3/2–%/2 и %/2–%/2 в зависимости от направления
регистрации по отношению к кристаллографическим осям и использование этих зависимостей для реализации на их основе новых функциональных возможностей является актуальной задачей как с точки зрения расширения фундаментальных представлений о динамике излучения в кристаллической решетке кристаллов ва-надатов, так и с точки зрения создания новых источников лазерного излучения с расширенными спектральными и временными возможностями.
Целью диссертационной работы являлось исследование поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров в кристаллах ванадатов на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима, разработка методики создания высокоэффективных активных сред на их основе, исследование процессов управления временными параметрами и разработка новых лазерных систем для получения лазерного излучения в различных спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных режимах.
В рамках этого основного направления решаются следующие основные задачи:
-
Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2– 4I9/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.
-
Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.
-
Создание методик формирования высокоэффективных активных сред кристаллов на основе поляризационно-угловых спектров люминесценции кристаллов ва-надатов и смешанных ванадатов. Исследование влияние расщепления уровней ионов неодима на форму спектров люминесценции смешанных ванадатов. Управление коэффициентами усиления и длинами волны генерации для различных направлений среза кристаллов.
4. Разработка методик получения двухчастотной генерации лазеров на кристаллах
ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 с взаимно
параллельной и ортогональной поляризацией излучения.
5. Получение терагерцового излучения с использованием разностной частоты
двухчастотного лазера в нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации в
нелинейных кристаллах GaSe.
6. Исследование генерационных и спектральных параметров лазеров на кристал
лах ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 и смешанных ванадатов
Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов
неодима с управлением длиной волны генерации.
7. Исследование поляризационных зависимостей генерации Nd3+:YVO4,
Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-лазеров в режиме пассивной мо
дуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.
8. Создание лазеров высокой пиковой мощности на базе композитных кристаллов
Nd:YVO4–YVO4 с пассивной модуляцией добротности для -поляризации (Е с)
излучения и для кристаллов под различными углами среза в режиме пассивной
модуляции с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.
9. Реализация высокоэффективных лазеров с внутрирезонаторным ВКР-
самопреобразованием на кристаллах ванадатов в режиме пассивной модуляции с
затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.
-
Исследование нелинейных параметров одностенных углеродных нанотрубок, стекол с квантовыми точками PbS и керровской нелинейности для пикосекундной генерации Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-лазеров в режиме пассивной и гибридной синхронизации мод.
-
Оптимизация спектров люминесценции для работы фемтосекундного лазера на основе композитного кристалла иттриевого ванадата Nd:YVO4–YVO4 с полупроводниковым зеркалом SESAM.
-
Создание многоволновой лазерной установки бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YVO4–YVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для -
поляризации и для кристаллов под различными углами среза = 250, = 0 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые проведены экспериментальные исследования поляризационно-
угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов
Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и
Nd3+:Sc1-хYхVO4 при комнатной и криогенной (азотной) температурах. Показано, что спектры люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ва-надатов имеют ярко выраженные угловые зависимости от направления регистрации и поляризации по отношению к кристаллографическим осям.
Установлена поляризационная зависимость излучения штарковских уровней в спектрах люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ва-надатов. Показано, что штарковские переходы излучаются в ортогональных поляризациях.
Впервые показано, что использование поляризационно-угловых зависимостей спектров люминесценции позволяет управлять формой спектров люминесценции, коэффициентами усиления лазеров на основе кристаллов ванадатов, длиной волны генерации и поляризацией излучения.
Предложены способы оптимизации формы широких равномерных спектров люминесценции для пико- и фемтосекундных лазеров, а также и для перестройки длины волны излучения.
Экспериментально продемонстрировано, что расщепление верхнего 4F3/2 и нижних 4I11/2 и 4I9/2 уровней иона неодима в смешанных ванадатах (Nd3+:Gd1-хYх или Nd3+:Sc1-хYх) зависит от соотношений концентраций Y, Gd и Sc. Изменение соотношения (Gd1-хYх или Sc1-хYх) с использованием угловых зависимостей обеспечивает контролируемую трансформацию контура усиления. При этом в смешанных ванадатах меняются форма спектра и длины волн люминесценции как для -, так и для -поляризации.
Впервые предложено и реализовано использование активной среды на основе комбинации двух кристаллов (Nd3+:YVO4 и Nd3+:Gd1-хYхVO4) и (Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4), откорректированных по угловым зависимостям, с целью получения максимально широких линий с формой близкой к прямоугольной для фемтосекундных приложений.
Впервые исследованы генерационные и спектральные параметры лазеров на кристаллах смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима, работающие по четырёх- и квазитрёхуровневой схемам с управлением формы спектра люминесценции и длиной волны генерации.
Исследованы способы получения двухчастотной генерации для кристаллов иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 и смешанных Nd:Gd0.7Y0.3VO4 и Nd:Sc1-хYхVO4 ванадатов с использованием методик: а) внесение дополнительных спектрально-селективных потерь; б) управление усилением активной среды и в) поляризационное разделение излучения.
Получены двухчастотные режимы генерации с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном и импульсных режимах, с модуляцией добротности и синхронизацией мод.
Предложены и реализованы схемы усилителей двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией на основе кристаллов ва-надатов.
Получена генерация терагерцового излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe для нано- и пикосекундного режимов лазерной генерации.
Исследованы поляризационные зависимости генерации Nd:YVO4, Nd:Gd1-хYхVO4 и Nd:Sc1-хYхVO4-лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG. Показано, что наилучшие характеристики достигнуты для лазера с использованием -поляризации.
Впервые предложены методы управления усилением активной среды и продемонстрирована эффективная работа лазера на основе кристаллов ванадатов (Nd3
+: YV04, Nd3+:GdV04), вырезанных под углами в = 25, ср = О, с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+: YAG и V3+: YAG. Показано, что данные лазеры работают на длинах волн, которые совпадают с длиной волны в -поляризации, где усиление в среде максимально. Это позволяет создавать эффективные системы генератор-усилитель для дальнейшего нелинейного преобразования частоты.
Предложены способы получения эффективного ВКР-самопреобразования на кристаллах иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для -поляризации и для кристаллов под различными углами среза в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+: YAG.
Методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением определены характерные времена релаксации и величина кубической нелинейности в полимерных пленках, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.
Реализованы режимы пассивной и гибридной синхронизации мод с помощью полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками, стекол с квантовыми точками PbS и керровской нелинейности для пикосекундной генерации Nd3+: YVO4, Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd1.хYхV04 и Nd*:SCl_хYхV04-лазеров.
На основе поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров оптимизирована форма спектра люминесценции кристаллов иттриевого ванадата для получения лазерной генерации с фемтосекундной длительностью импульсов.
В качестве практического приложения результатов исследований создана многоволновая (работающая в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн) лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов иттриевого Nd:YV04-YV04 ванадата в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.
Научная и практическая значимость
Установленные поляризационно-угловые зависимости спектральных пара
метров в кристаллах ванадатов на переходах ионов неодима
открывают новые возможности в разработке методов создания высокоэффективных активных сред и новых лазерных систем на их основе для получения лазерного излучения с управляемыми параметрами и расширения спектра их практического применения. Настоящие исследования позволяют использовать уже существующие разработанные кристаллы ванадатов для получения принципиально новых возможностей лазерных систем на их основе. Результаты данных исследований можно расширить и на другие кристаллические среды, поскольку аналогичные зависимости наблюдаются и в других одноосных и двуосных кристаллах, например Nd3+:YLF или аллюминат иттрия Nd3+:YAl2O3.
Проведенные исследования процессов управления временными параметрами позволяют на основе кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 реализовать схемы высокоэффективных лазерных систем, работающие в непрерывном, фемто-, пико- и наносекундном импульсном режимах, которые могут быть использованы для преобразования в ультрафиолетовый, видимый, ИК и терагерцовый спектральный диапазон длин волн.
Созданная многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний (на основе композитных кристаллов Nd3+:YVO4–YVO4-ванадатов в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG) прошла клинические испытания и в настоящее время широко используется в ЦНИИ Туберкулеза, НИИ Пульмонологии РАМН в Москве, Санкт-Петербургском НИИ фтизиопульмонологии, в 23-й Городской больнице г. Москвы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается высоким уровнем экспериментальной техники, сопоставлением данных, полученных различными методами, применением современных теоретических представлений и методов обработки при анализе данных, сравнением с имеющимися литературными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Спектральные параметры кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4-ванадатов и смешанных Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-ванадатов на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима имеют ярко выраженные поляризационно-угловые зависимости по отношению к кристаллографическим осям.
-
Управление длиной волны генерации в лазерах на кристаллах ванадатов на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима достигается ориентацией кристаллов и варьированием состава смешанных ванадатов (Gd1-хYх и Sc1-хYх).
-
Двухчастотная генерация лазеров на кристаллах ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения создается методами внесения дополнительных спектрально-селективных потерь, управлением усиления активной среды и методом поляризационного разделения излучения.
-
Терагерцовое излучение реализуется при использовании разностной частоты двухчастотного лазера на кристаллах ванадатов в нелинейных кристаллах GaSe для нано- и пикосекундных режимов лазерной генерации.
-
Нелинейные параметры одностенных углеродных нанотрубок, стекол с квантовыми точками PbS и керровская нелинейность позволяют реализовать режимы пассивной и гибридной синхронизации мод для пикосекундной генерации Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:Gd1-хYхVO4 лазеров.
-
Импульсы фемтосекундной длительности достигаются при оптимизации угла среза кристаллов иттриевого Nd3+:YVO4-ванадата.
-
Высокая пиковая мощность излучения реализуется методами управлением усиления при использовании поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции добротности с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.
-
Эффективное ВКР-самопреобразование на кристаллах ванадатов достигается выбором ориентации кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG.
9. Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического
действия для лечения инфекционных заболеваний разработана на основе композитных кристаллов Nd:YVO4–YVO4 ванадатов под различными углами среза в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG и последующим преобразованием излучения в видимый и УФ диапазоны длин волн.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (Москва, Россия), физического факультета Бернского университета (Берн, Швейцария), Института кристаллографии РАН (Москва, Россия).
Материалы диссертации обсуждались на международных конференциях: Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'98); Intl. Conf. on Lasers and Electro-Optics Europe, 2003. CLEO/Europe; Intl. Conf. on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2005 (Санкт Петербург); Intl. Conf. «Laser Optics 2004» (LO-04) 2004; Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies LAT 2005, St. Petersburg, Russia; Intl. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2007) collocated with Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), Minsk, Belarus; «Вторая Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям», 22-25 апреля, г. Саров (2008); The 17 International Laser Physics Workshop, LPHYS’08, June 2008, Trond-heim, Norway; Intl. Conf. on «Laser Optics 2008» (LO-08) 2008, St. Petersburg, Russia; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT’08), 2008, Siofok, Hungary; International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria; International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", 2008, Holiday Centre Huhmari, Polvijarvi, Finland; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'09); XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria; Intl. Conf. on Advanced Laser Technology, ALT’10, 2010, Egmond an See, the Netherlands; The Second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics" 2010, Koli, Finland, Intl. Conf. «Laser Optics 2010» (LO-10) 2010, St. Peterburg, Russia; Intl. Conf. “Funda-mentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies” (FLAMN-10), Intl. Conf. on
Advanced Laser Technologies – ALT’11, Golden Sands, Bulgaria, 2011; Intl. Conf. «Laser Optics 2012» (LO-12) 2012, St. Peterburg, Russia; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT’12), Thun, Switzerland, 2012; Intl. Conf. "Modern Laser Applications" INDLAS-2013, Bran, Romania; Intl. Conf. on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2013 (Москва); Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT’13), Budva, Montenegro.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 работы, список которых приведен ниже, из которых 23 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК [1–23]; получено 4 патента [24–27]; 27 работ опубликованы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций [28–54].
Личный вклад автора
Лазерные среды на основе кристаллов ванадатов. Ортованадаты редкоземельных элементов: кристаллохимия и структура соединений
Впервые проведены экспериментальные исследования поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 при комнатной и криогенной (азотной) температурах. Показано, что спектры люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ванадатов имеют ярко выраженные угловые зависимости от направления регистрации и поляризации по отношению к кристаллографическим осям.
Установлена поляризационная зависимость излучения Штарковских уровней в спектрах люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ванадатов. Показано, что штарковские переходы излучаются в ортогональных поляризациях.
Впервые показано, что использование поляризационно-угловых зависимостей спектров люминесценции позволяет управлять формой спектров люминесценции, коэффициентами усиления лазеров на основе кристаллов ванадатов, длиной волны генерации и поляризацией излучения.
Предложены способы оптимизации формы широких равномерных спектров люминесценции для пико- и фемтосекундных лазеров, а также и для перестройки длины волны излучения.
Экспериментально продемонстрировано, что расщепление верхнего 4F3/2 и нижних 4I11/2 и 4I9/2 уровней иона неодима в смешанных ванадатах (Nd3+:Gd1-хYх или Nd3+:Sc1-хYх) зависит от соотношений концентраций Y, Gd и Sc. Изменение соотношения (Gd1-хYх или Sc1-хYх) с использованием угловых зависимостей обеспечивает контролируемую трансформацию контура усиления. При этом в смешанных ванадатах меняются форма спектра и длины волн люминесценции как для - так и для - поляризации.
Впервые предложено и реализовано использование активной среды на основе комбинации двух кристаллов (Nd3+:YVO4+ Nd3+:Gd1-хYхVO4) и (Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4), откорректированных по угловым зависимостям, с целью получения максимально широких линий с формой близкой к прямоугольной для фемтосекундных приложений. Впервые исследованы генерационные и спектральные параметры лазеров на кристаллах смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима, работающие по четырёх- и квазитрёхуровневой схемам с управлением формы спектра люминесценции и длиной волны генерации.
Исследованы способы получения двухчастотной генерации для кристаллов иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 и смешанных Nd:Gd0.7Y0.3VO4 и Nd:Sc1-хYхVO4 ванадатов с использованием методик: а) внесение дополнительных спектральноселективных потерь; б) управление усилением активной среды и в) поляризационное разделение излучения.
Получены двухчастотные режимы генерации с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном и импульсных режимах, с модуляцией добротности и синхронизацией мод.
Предложены и реализованы схемы усилителей двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией на основе кристаллов ванадатов.
Получена генерация терагерцового THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe для нано-и пикосекундного режимов лазерной генерации.
Исследованы поляризационные зависимости генерации Nd:YVO4, Nd:Gd1-хYхVO4 и Nd:Sc1-хYхVO4 лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG. Показано, что наилучшие характеристики достигнуты для лазера с использованием - поляризации.
Впервые предложены методы управления усилением активной среды и продемонстрирована эффективная работа лазера на основе кристаллов ванадатов (Nd3 +:YVO4 , Nd3 +:GdVO4 ), вырезанных под углами (= 25 , = 0), с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG. Показано, что данные лазеры работают на длинах волн, которые совпадают с длиной волны в -поляризации, где усиление в среде максимально. Это позволяет создавать эффективные системы генератор-усилитель для дальнейшего нелинейного преобразования частоты. Предложены подходы к получению эффективного ВКР самопреобразования на кристаллах иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для - поляризации и для кристаллов под различными углами среза в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.
Методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением определены характерные времена релаксации и величина кубической нелинейности в полимерных пленках, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.
Реализованы режимы пассивной и гибридной синхронизации мод с помощью полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками, стекол с квантовыми точками PbS и керровской нелинейности для пикосекундной генерации Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-лазеров.
На основе поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров оптимизирована форма спектра люминесценции кристаллов иттриевого ванадата для получения лазерной генерации с фемтосекундной длительностью импульсов.
В качестве практического приложения результатов исследований создана многоволновая (работающая в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн) лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов иттриевого Nd:YVO4 - YVO4 ванадата в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG
Методы формирования новых активных сред лазеров на основе кристаллов ванадатов
Для всех исследованных кристаллов ванадатов получены значения n2 почти на порядок превосходящие значения для кристалла кварца. Величины нелинейных показателей преломления кристаллов ванадатов на = 1064 нм сравнимы с таковыми для кристаллов KGW, KYW, KYbW в ближнем ИК диапазоне.
По вопросу анизотропии коэффициента нелинейного преломления в литературе существуют разногласия. В [104-105] отмечалось, что значения коэффициента нелинейного преломления для n2(E//c) и n2(Ec) отличаются, а в других работах разница между ними была на уровне ошибки измерений [103].
Двухчастотные лазеры
Создание источников терагерцового электромагнитного излучения связано с активно развивающимися в последнее десятилетие новыми методами и направлениями фундаментальных и прикладных исследований в физике, химии и биологии. Терагерцовое излучение открывает новые пути и предоставляет новые уникальные возможности изучения свойств и строения веществ и материалов в практически недоступном ранее спектрально-временном диапазоне. Так, регистрация зондирующих терагерцовых импульсов, прошедших через объект (либо отраженных объектом) и их последующий амплитудно-временной и спектральный анализ позволяет получить данные о свойствах изучаемой среды и протекающих в ней неравновесных процессах с временным разрешением порядка длительности зондирующего импульса. Кроме фундаментальных исследований, терагерцовые/микроволновые импульсы находят практическое применение и в различных прикладных областях.
Так, в последние годы был предложен ряд технических решений по использованию терагерцового излучения для микроволновой локации и позиционированию движущихся объектов, для регистрации микроволновых "изображений" изделий микроэлектроники и обнаружению взрывчатых веществ и наркотиков. Достаточно широкий и информативный спектральный диапазон для большого количества объектов (твердые тела, жидкости, биологические объекты) является основным преимуществом терагерцового диапазона. Терагерцовое излучение не обладает ионизирующим свойством и в отличие от радиоактивного излучения не вызывает вредного воздействия на живые организмы и поэтому может найти свое применение там, где необходим непрерывный мониторинг живых объектов, например, при томографических исследованиях, системах безопасности, контрольно-измерительном оборудовании. Фундаментальные и прикладные исследования по созданию источников терагерцового излучения и диагностического оборудования на их основе ведутся в ведущих научных центрах и университетах.
За последние годы предложено и разработано несколько различных по механизмам методов лазерной генерации электромагнитных импульсов терагерцового спектрального диапазона - от сотен гигагерц (длина волны 3 мм) до десятков терагерц (длина волны 30 мкм) [106-110]. В подавляющем большинстве работ в качестве источников "накачки" для генерации терагерцовых импульсов используются фемтосекундные лазеры, излучение которых преобразуется в терагерцовый спектральный диапазон в: 1. нелинейно-оптических кристаллах (оптическое выпрямление и генерация разностной частоты); 2. оптоэлектронных эмиттерах (Остоновские ключи, смещенные и несмещенные электрическим полем полупроводники и полупроводниковые структуры, микроволновые антенны); 3. лазерной плазме оптического пробоя газов и конденсированных сред (оптическое выпрямление и генерация разностной частоты, Черенковское излучение). Несмотря на успешное использование фемтосекундных лазерных импульсов для генерации терагерцового излучения в широком диапазоне длин волн (от десятков и сотен гигагерц до десятков терагерц) такие источники не вышли из стен лабораторий и не нашли широкого практического применения главным образом из-за высокой сложности и стоимости фемтосекундных лазеров.
В настоящее время работы по созданию и дальнейшему совершенствованию источников терагерцового излучения продолжаются и ведутся в различных направлениях. Наряду с созданием уникальных квантово-каскадных лазеров одним из перспективных и быстроразвивающихся практических методов генерации терагерцового излучения является создание двухчастотных твердотельных лазеров с последующим преобразованием их излучения в нелинейных кристаллах и оптоэлектронных терагерцовых эмиттерах.
Методика использования двух лазеров с последующим получением разностной частоты уже применялась ранее для генерации терагерцового излучения [111-113]. Новый подход в этом направлении заключается в том, что две длины волны генерируются не двумя различными лазерами, а одним и тем же. Тем самым отпадает необходимость в синхронизации частот двух отдельных лазеров и дальнейшем совмещении лазерных пучков во времени и пространстве, в результате чего система получается более компактной и надежной. В перспективе это должно привести к появлению более дешевых, малогабаритных, перестраиваемых по частоте терагерцовых источников. На данный момент авторами других групп продемонстрирована генерация излучения в частотном диапазоне 0,3; 0,5 и 0,7 ТГц [112,113] Мощность излучения ограничивалась эффективностью преобразования излучения накачки и в настоящее время составляет около 1 микроватта в непрерывном режиме.
Лазеры, излучающие одновременно на нескольких длинах волн, могут найти широкое применение во многих областях, таких как: мониторинг окружающей среды, лидар, спектральный анализ и ТГц исследования и т.д. В обычных условиях лазер генерирует только одну длину волны (или линию), если не предпринимается никаких специальных мер. Эмиссионные линии со слабым усилением, как правило, подавляются линией с сильным усилением из-за конкуренции. Для удовлетворения требований одновременной генерации несколько лазерных линий требуется специальная конструкция резонатора, которая обеспечивает необходимый контроль и уменьшить конкуренцию между множеством возможных длин волн усиливающей среды. Первое сообщение о лазерной генерации на нескольких длинах волн было представлено в Bethea 1973 с использованием Nd3+: YAG в качестве усиливающей среды [114]. После этого были представлены многоволновые лазеры на основе Nd3+: YAG [115-116], Nd3+: YAP [117,118], Nd3+: КНГГ [119]. Nd3+:YLF [120], Nd3+: YVO4 [121-124]. На кристалле Nd3+: GdVO4, многоволновая лазерная генерация была реализована на длинах волн 1063 нм и 1342 нм [125], или, на длинах волн 912nm и 1063nm [126].
Получение генерации лазеров на кристаллах, допированных ионами Nd, одновременно на двух длинах волн можно разделить на три основных направления. Во-первых, участие двух различных лазерных переходов от 4F3/2 4I11/2, 4F3/2 4I13/2 или 4F3/2 4I9/2 [115-116,125-126]. Вторым направлением являются лазеры, работающие на одном и том же переходе лазера с меньшим расстоянием между длинами волн и в одной поляризации [120, 127-129], который является очень привлекательным для получения терагерцового (ТГц) излучения за счет разностной частоты в нелинейных кристаллах, например в GaSe [130]. Когерентное терагерцовое излучение имеет большой потенциал для ТГц видения, спектроскопии и других ТГц приложений [131-133]. Двухдлиноволновые лазеры с ортогональной поляризацией, это третье направление, которое является предпочтительным для применения в лазерной интерферометрии и метрологии [134,135]. В данном случае для получения одновременной генерации двух ортогонально поляризованных волн обычно используется дополнительный двулучепреломляющий элемент или две усиливающие среды для получения ортогональной линейной поляризации в Nd3+: YAG, Nd3+: YVO4 и Nd3+: GdVO4 лазерах [136-138].
Для решений многих задач является актуальным разработка простых, компактных лазерных систем с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией двух длин волн в одной усиливающей среде и в простом резонаторе.
Исследования двухчастотной генерации с поляризационным разделением излучения
Лазеры, излучающие одновременно на нескольких длинах волн могут найти широкое применение во многих областях таких, как мониторинг окружающей среды, лидарные системы, спектральный анализ, ТГц исследования и т.д.
В основе предлагаемого к исследованию и реализации метода генерации терагерцового излучения лежит принцип получения двухчастотной генерации в твердотельном лазере с диодной накачкой на новых активных кристаллических средах и последующего преобразования лазерного излучения в новых нелинейных кристаллах и оптоэлектронных терагерцовых эмиттерах.
В обычных условиях, если не предпринимается никаких специальных мер, лазер генерирует излучение только на одной длине волны. В неселективном резонаторе из-за конкуренции переходы со слабым усилением, как правило, подавляются переходами с более сильным усилением. Для удовлетворения требований одновременной генерации несколько лазерных переходах, требуется специальная конструкция резонатора, которая обеспечивает необходимый контроль для уменьшения конкуренции между множеством возможных длин волн усиливающей среды.
В представленных экспериментах одновременная двухчастотная генерация реализуется в одной активной среде, обладающей широкой полосой люминесценции в области 1 мкм, помещенной в селективный резонатор твердотельного лазера с диодной накачкой. Такой подход не требует дополнительного совмещения двух пучков и синхронизации работы двух лазеров. Двухчастотная генерация может быть получена в непрерывном режиме, в режиме модуляции добротности или синхронизации мод. Далее это излучение может усиливаться в такой же активной среде до требуемого уровня выходной энергии/мощности.
Новизна предлагаемого подхода состоит, с одной стороны, в использовании активных кристаллических сред с широкими линиями люминесценции, с высокими коэффициентами усиления и высокого оптического качества (гадолинеевый GdVO4 и смешанные Gd0.5La0.5VO4 и Gd1хYхVO4, ванадаты активированные ионами редкоземельных элементов) и, с другой стороны, разработкой новых методов управления формой спектров люминесценции.
Активные среды на основе кристаллов ванадатов в настоящее время находят широкое применение в различных лазерах с диодной накачкой вследствие оптимального сочетания спектроскопических, лазерных и теплофизических свойств кристаллов.
В главе 2 диссертации было показано, что использование поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов, позволяет управлять величиной сечения индуцированного перехода, сечения поглощения, шириной линии поглощения и излучения, изменять длины волн генерации, время жизни уровней и т.п. Методы управления формой спектров излучения могут обеспечить создание лазеров с заданной длиной волны генерации, а увеличение ширины линии люминесценции – получение двухчастотных импульсов излучения.
Преимущество применения кристаллов ванадатов для последующей генерации терагерцового излучения заключается в возможности выращивания уникальных кристаллов высокого оптического качества, большой длины и апертуры. Это позволит создавать высокоэффективные генераторы и усилители с ламповой или диодной накачкой с целью повышения выходной энергии лазеров до единиц джоулей и как следствие повышения эффективности преобразования в терагерцовый диапазон длин волн.
Потенциальную возможность перехода в терагерцовую область спектра предоставляют преобразователи лазерного излучения на основе высокоэффективных нелинейных кристаллов. Эти кристаллы обеспечивают требуемые диапазоны прозрачности и обладают высокой нелинейностью.
Проанализируем возможности получения двухчастотной генерации на кристаллах ванадатов. Для одновременной работы лазера на двух длинах волн пороговое условие генерации для каждой длины волны перехода дается в [189]: () где Ri - коэффициент отражения выходного зеркала, Li - потери за двойной обход резонатора, i - квантовая эффективность, i, - стимулированное сечение люминесценции и i - время жизни на верхнем уровне для соответствующих длин волн перехода. Параметры hvp -энергия фотона, l-длина активной среды, si(r,z) нормированное распределение интенсивности моды резонатора для соответствующей длине волны перехода и rp(r,z) - нормированное распределение интенсивности накачки в резонаторе лазера. Здесь i = 1, 2 две длины волны в спектре люминесценции кристаллов ванадатов. Поскольку мы используем среды с шириной спектра люминесценции порядка 35 нм, то можно считать, что параметры i, i, si(r,z), и rp(r,z) практически равны. Тогда соотношение для порогов лазерной генерации в этом диапазоне длин волн выражается как:
Лазер будет работать на двух длинах волн, когда отношение составляет порядка 1. При 1 излучение на одной длине волны будет доминировать над другой, поскольку это излучение имеет более низкий порог генерации.
Тогда из выражения (3.2) следует, что возможны два пути для получения двухчастотной генерации на кристаллах ванадатов: 1. если сечения люминесценции на разных длинах волн отличаются (1 2), то необходимо целенаправленно изменять потери за двойной обход резонатора на каждом участке спектра L1 и L2 [190] или подбирать соответствующие отражения зеркал [189]; 2. при фиксированных потерях L1 и L2 требуется управлять значениями сечения люминесценции (1 и 2). В главе 2 диссертации было показано, что, на основе поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов можно в широком диапазоне можно управлять значениями сечения люминесценции ионов неодима. Такой подход к созданию двухчастотных лазеров ранее не использовался.
Пассивная модуляция добротности лазеров на на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для - поляризации
Предложен метод оптимизации [269] параметров кристаллов YVO4-Nd3+:YVO4 ванадатов на основе поляризационно-угловых зависимостей люминесценции [176] для получения уширенного спектра для фемтосекундной лазерной генерации. Впервые продемонстрирована работа фемтосекундного (=25 , =0) YVO4 Nd3+:YVO4-лазера на переходе 4F3/2–4I11/2 с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM. Минимальная длительность импульса достигала 780 фсек. Развитие лазерных систем с диодной накачкой и с устойчивой генерацией сверхкоротких импульсов в инфракрасной области спектра является весьма актуальной проблемой в настоящее время.
Пассивные модуляторы для синхронизации мод и модуляции добротности считаются предпочтительными из-за своей компактности, простоты использования и низкой стоимости. Наиболее популярным насыщающимся поглотителем на сегодняшний день является полупроводниковый насыщающийся поглотитель, работающий на отражение (Semiconductor Saturable AbsorberMirror (SESAM)). Кристаллы ванадатов (Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 и др.), допированные ионами неодима, являются наиболее эффективными лазерными средами для диодной накачки и имеют значительный потенциал для создания пикосекундных лазерных систем.
Пассивная синхронизация мод на керровской нелинейности продемонстрирована ранее на кристаллах Nd:Gd0.7Y0.3VO4, вырезанных вдоль оси а. Для - поляризации была достигнута длительность лазерных импульсов 1,7пс [235]. Работа пикосекундных лазеров с помощью гибридной пассивной синхронизацией мод с использованием насыщающегося поглотителя с нанокристаллами PbS и Керровской нелинейности представлена в [267]. Минимальная длительность импульса 1.4 пс была реализована в лазере на основе смешенного кристалла Nd: Gd0.7Y0.3VO4 ванадата, вырезанного вдоль оси с, за счет более уширенной полосы люминесценции (см. рис 2.25а).
Целью настоящей работы было проведение экспериментальных исследований по оптимизации спектров люминесценции для кристаллов YVO4-Nd3 +: YVO4 ванадатов и реализации работы фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM. В[176] проведены экспериментальные исследования поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4. Показано, что спектры люминесценции ионовNd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ванадатов имеют ярко выраженные угловые зависимости от направления регистрации и поляризации по отношению к кристаллографическим осям.
В настоящей работе представлен простой способ управления формой спектров люминесценции на основе поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров для стандартного кристалла иттриевого ванадата.
На Рис.4.27а и б представлены спектры люминесценции на переходе 4F3/2–4I11/2 кристаллов Nd: Gd0.7Y0.3VO4 и Nd:YVO4 ванадатов на переходе 4F3/2–4I11/2. 191 Рис.4.27а. Фрагменты спектров Рис.4.27б Фрагменты спектров люминесценции кристаллов смешанного люминесценции кристалла Nd:YVO4 ванадата, Nd:Gd0.7Y0.3VO4 ванадата, вырезанные вдоль вырезанные вдоль оси а для - поляризации оси а, для - поляризации (1) и (2) вдоль оси (зеленая), для - поляризации (голубая) и для с (2) кристалла, вырезанного под углом ( = 25 , = 0) (синяя), спектр излучения лазера (красная)
В интересующей нас области длин волн 1060 - 1070 нм фрагмент спектра ионов неодима Nd3+ состоит из четырех перекрывающихся переходов R1-Y1, R2-Y1 ,R1-Y2 и R2-Y2. Из рисунка1б видно, что для – поляризованного излучения спектр люминесценции для иттриевого ванадата уширен (рис.1б голубая линия). При этом лазер работает на длине волны 1066 нм, что соответствует переходу R1-Y2 (правый пик). Средний пик более уширен, поскольку состоит из двух перекрывающихся переходов R1-Y1 и R2-Y2.
При возрастании угла среза кристаллов изменяются интенсивности излучения штарковских переходов. Интенсивности на переходах R2-Y1 ,R1-Y2 и R2-Y2 будут уменьшаться, а на переходе R1-Y1 – возрастать. Когда интенсивность излучения перехода R1-Y1 превысит значение для R1-Y2, то лазер будет генерировать на длине волны 1064 нм (рис.1б синяя линия). Для кристалла Nd3 +:YVO4, вырезанного под углом ( = 25 , = 0), наблюдается спектр, который более симметричен и с уширенным максимумом (см. рис.1б). Такая форма спектра позволяет реализовать работу лазера фемтосекундной длительности.
В настоящей работе приведены результаты по исследованию лазеров на кристаллах Nd: Gd0.7Y0.3VO4 и (= 25 , = 0) YVO4-Nd3 +: YVO4- ванадатов с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM. Схема лазера показана на рис.4.28
Схема фемтосекундного лазера: LD – лазерный диод LIMOHLU 10F 100-808, F -волокно, O - объектив, АЕ – активный элемент (композитный кристалл ванадата), M1 -зеркало, M2 и M5 – вогнутые зеркала (R = 340 мм), M3 – вогнутое зеркало (R = 1000 мм), M6 – вогнутое зеркало (R = 200 мм), SESAM- полупроводниковый насыщающийся поглотитель, M4 – выходное зеркало (Т = 2,3%), P1 иP2 - призмы (SF10).
В экспериментах использовались три типа активных элементов на основе: кристалла Nd:YVO4 ванадата, вырезанного вдоль оси с; кристалла смешанного Nd:Gd0.7Y0.3VO4 ванадата, вырезанного вдоль оси с, (этот же активный элемент использовался в работе [3]) и кристалла композитного YVO4-Nd3 +: YVO4 ванадата, вырезанного под углом ( = 25 , = 0). Активные элементы имели размеры 4 мм 4 мм 8 мм и с концентрацией ионов Nd3+ неодима 0,5 ат.%. Одна сторона активного элемента имела покрытие с высоким отражением (HR) для 1064 нм (M1) и просветляющее (R 0,02%) покрытие для 808 нм, другая сторона была просветлены (AR) на длины волн 1064 нм и 808 нм. Схема резонатора позволила подавить эталонный эффект на АЭ с параллельными гранями.
Для накачки активного элемента использовалась система лазерных диодов LIMO HLU10F100 с волоконным выводом (диаметр сердцевины 100 мкм, NA=0.11) и максимальной мощностью излучения до 10 Вт на длине волны 808 нм. Для фокусировки излучения использовались объективы, позволяющие получать диаметр перетяжки в кристалле - от 150 до 400 мкм.
Параметры резонатора были рассчитаны методами матричной оптики. Резонатор состоял из диэлектрического зеркала M1 на задней стороне кристалла, двух сферических зеркал M2 и M3 (радиус кривизны R=340 мм), чтобы получить дополнительный фокус в центральном плече резонатора и плоское выходное зеркало M5 (Т = 2.3 %). Вторая перетяжка (в диапазоне 20-100 мм) была сформирована вблизи зеркала SESAM вогнутыми (R = 250, 150 или 100 мм) зеркалами M6. Резонатор содержал пару призм P1, P2 (SF10) для компенсации дисперсии групповой скорости. Расстояние между призмами составляло 48 см. Общая длина резонатора – 150 см.
Генерация с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM была получена на всех трех активных элементах. Максимальная ширина спектра излучения для лазеров на кристаллах Nd:YVO4 и Nd:Gd0.7Y0.3VO4, вырезанных вдоль оси с, и кристалле YVO4-Nd3 +: YVO4, вырезанного под углом ( = 25 , = 0), составляла 1.1, 1.3 и 1.6 нм соответственно. Длительность импульсов излучения оценивалась автокорреляционными методами. Автокоррелятор был основан на неколлинеарной генерация второй гармоники с использованием нелинейного кристалла бетабората бария ВВО (толщина элемента 100 мкм).
