Введение к работе
Актуальность темы. Импульсные твердотельные лазеры на ионах неодима находят широкое применение в медицине, промышленности и научных исследованиях. В каждой из перечисленных областей необходимо излучение со своими особыми характеристиками, среди которых можно выделить как основные энергию и длительность импульса генерации, поперечное распределение интенсивности за выходным зеркалом, расходимость и спектр ихтучения генерации. Практика применения лазеров постоянно предъявляет все новые, как правило более жесткие, требования к их выходным параметрам, заставляя исследователей и разработчиков совершенствовать как их элементную базу, гак и методы упрашіения выходными характеристиками. Эффективное применение новых материалов, например, для активных элементов и пассивных затворов, невозможно без всестороннего исследования их свойств. Расширение областей практического применения лазеров, повышение качества и производительности их работы требует совершенствования старых и поиска новых, более эффективных, методов управления такими параметрами выходного излучения лазеров как расходимость, спектральный состав, энергия и временная форма импульса излучения, а также воспроизводимость этих характеристик.
Цель работы. Целью настоящей работы было улучшение основных характеристик импульсных твердотельных лазеров, в том числе: повышение коэффициента полезного действия, расширение диапазона регулируемых длительностей, контроль за поперечным и продольным модовым составом генерации и стабильность выходной энергии. Эта цель достигалась за счет применения новых лазерных материалов таких, как КНФС, nT:Nd:Cr и rcrT:Nd:Cr и исследования их генерационных характеристик, экспериментального и теоретического исследования разлігчньгх режимов работы импульсных твердотельных неодимовых лазеров, а также исследования свойств твердотельных пассивных затворов на основе LiF:F2" и YAG .Сг4 f. Они включали в себя:
-исследование режимов свободной генерации и модуляции добротности лазеров на новых лазерных материалах КНФС, nT:Nd:Cr, rCIT:Nd:Cr с целью оценки их перспективности и нахождения оптимальных условий их применения;
-исследование режима модуляции добротности с помощью ВРМБ-зеркала в неустойчивом резонаторе;
-создание и исследование лазера с большой длиной резонатора с активной синхронизацией мод и отрицательной обратной связью;
исследование режима активно-пассивной синхронизации мод в таком лазере;
-исследование стабильности выходной энергии импульсных твердотельных лазеров, работающих в режиме пассивной модуляции добротности;
-исследование стойкости пассивных затворов LiF:F2" к действию мощного инфракрасного излучения;
-исследование спектрального состава излучения лазеров на неодиме с пассивными затворами на основе кристаллов LiF с F2"-IJ,0;
-исследование анизотропии нелинейного поглощения в кристаллах. LiF:F2-HYAG:Cr4+.
Научная новизна и практическая ценность работы^, Постановка и решение задачи исследования генерационных свойств новых лазерных материалов позволили определить оптимальные режимы применения концентрированного неодимового фосфатного стекла, а также провести оценку генерационных свойств ПТ:Ш:Сг и rCIT:Nd:Cr. Научная новизна состоит в полученном автором выражении для зависимости выходной энергии в режиме свободной генерации в импульсном режиме от параметров резонатора и системы накачки, которое учитывает длительность импульса накачки. Практическая ценность - исследованы генерационные свойства новых лазерных материалов: КНФС, nT:Nd:Cr, rCIT:Nd:Cr.
Экспериментально реализован метод модуляции добротности неустойчивого резонатора при использовании обращающего волновой фронт ВРМБ-зеркала за счет перевода резонатора из неустойчивой конфигурации в устойчивую. Этот метод открывает возможности для создания лазеров с улучшенными характеристиками излучения и применим в лазерах с длиной волны отличной от 1.06 мкм.
Разработан метод получения цугов лазерных импульсов с длительностью 1-5 не и частотой следования около 2 МГц. Создан лазер, излучающий цуги импульсов с общей длительностью огибающей около 100 мке, при длительности отдельного импульса в цуге около 3 не и периоде следования около 500 не. Научная новизна заключается в применении отрицательной обратной связи в режиме активной синхронизации мод для увеличения длительности огибающей цуга. Практическая ценность - в возможности применения излучения с такими параметрами для исследования быстро протекающих процессов на интервале времен 10 - 100 мке с разрешением около 1 не, например, теневыми методами.
П остановка и решение задачи исследования стойкости F2" - ЦО в кристаллах LiF к воздействию мощного И К-излучения позволили обнаружить новое явление - явление разрушения этих центров пол действием мощного инфракрасного излучения. Кристаллы LiF:F2~ находят широкое применение и как пассивные затворы в неодимовых лазерах и как активные элементы перестраиваемых лазеров с лазерной накачкой, поэтому ясна необходимость обеспечения надежной работы элементов на их основе, которая невозможна без учета возможности разрушения ЦО в процессе работы, чем и определяется практическая ценность. Кроме того, само существование явленій разрушения ЦО открывает возможности для создания элементов резонатора, обладающих новыми свойствами.
Исследования спектрального состава излучения генерации неодимовых лазеров с пассивными затворами на основе кристаллов LiF:F2\ работающих в импульсно-периодическом режиме, позволили обнаружить новое явление - самопроизвольное уменьшение ширины спектра генерации с увеличением числа импульсов. Научная новизна заключается в том, что это явление наблюдено впервые, практическая - открываются возможности для создания селектора продольных мод на основе кристалла LiF:F2".
Исследования нелинейно-оптических свойств кристаллических пассивных затворов на основе LiF:2" и YAG;Cr4T позволили обнаружить явление анизотропии нелинейного поглощения в этих кристаллах на длине волны 1.06 мкм. Научная новизна заключается в развитии метода анизотропии нелинейного поглощения для исследования примесных центров в кристаллических матрицах. Практическая ценность - этим методом исследованы кристаллы LiF:F:2" и YAG:Cr4+. Для последнего кристалла сделан вывод, что на длине волны 1.06 мкм экспериментальным данным в наилучшей степени соответствует феноменологическая модель, в которой поглощение света примесными цетрами происходит при его взаимодействии с тремя группами линейных диполей, ориентированных вдоль главных кристаллографических осей.
Создан одночастотный лазер на стекле с неодимом, в котором в качестве селектора продольных мод применен кристалл LiF с F2 - центрами окраски, с записанной в нем излучением генерации решеткой поглощения. Тем самым продемонстрирована возможность практического применения кристалла LiF:F2" для эффективной селекции продольных мод.
Исследования стабильности выходной энергии в импульсных твердотельных лазерах с пассивной модуляцией добротности позволили определить влияние длины резонатора, пассивного затвора и стабильности источника накачки на воспроизводимость энергии в импульсе генерации,
что позволило создать лазеры со стабильностью выходной энергии 0.2 - 0.3 % как при широком (3-5 см"1), так и узком ( 0.02 см1) спектрах излучения.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Исследованы генерационные характеристики импульсных лазеров с
АЭ из концентрированного неодимового фосфатного стекла в режиме
свободной генерации и модуляции добротности. В малогабаритных лазерах
на КНФС получен КПД 4.3% в режиме свободной генерации и 1% в
режиме модуляции добротности. Определены генерационные
характеристики кристаллов ПТ:Ш:Сг и ГСГГ:Ш:Сг. Найдено, что по
эффективности использования оптического излучения накачки указанные
кристаллы превосходят YAG:Nd в 2-3 раза.
2. Экспериментально реализован метод модуляции добротности
резонатора неодимового импульсного лазера при переводе его из
неустойчивой конфигурации в устойчивую за счет возникновения в
резонаторе под действием излучения генерации обращающего волновой
фронт ВРМБ-зеркала. Получен режим модуляции добротности при полном
заполнении апертуры активного элемента и близкой к дифракционной
расходимости излучения.
3. Обнаружено и экспериментально исследовано явление разрушения
F2" - центров окраски в кристаллах LiF под действием мощного излучения с
длиной волны 1.06 мкм. Предложено объяснение этого явления,
заключающееся в том, что разрушение центров происходит при
двухфотонном поглощении из возбужденного состояния.
4. Обнаружено и объяснено явление самопроизвольного сужения
спектра генерации неодимовых импульсно-периодических лазеров с
пассивными затворами на основе кристалла LiF:F3' с увеличением числа
импульсов, которое заключается в том, что в результате разрушения F2~ -
ЦО под действием излучения генерации в кристалле записывается решетка
поглощения, обладающая спектрально-селективными свойствами.
5. Создан и исследован стабильный по выходной энергии импульсный
твердотельный лазер с широким спектром излучения генерации с
пассивной модуляцией добротности на основе кристалла LiF:F2\
Достигнуто относительное стандартное отклонение среднего значения
выходной энергии (кратковременная стабильность) 0.2-0.3%.
6. Создан стабильный по выходной энергии (кратковременная
стабильность 0.5 %) одночастотный лазер с пассивным затвором на основе
кристалла LiF, который одновременно служил в качестве селектора
продольиых мод за счет записанной в нем излучением генерации решетки поглощения.
7. Метод исследования поглощающих примесных центров в кристаллах, который основан на измерении поляризационной зависимости нелинейного пропускания исследуемых центров и самоиндуцированного поворота плоскости поляризации мощного излучения. С помощью этого метода исследованы кристаллы LiF:F2" и YAG:Cr4'.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей и заключения. В конце работы приведен список литературы. Обиий объем диссертации - 142 страницы, 38 рисунков и 1 таблица. Список литературы содержит 119 наименований.
