Введение к работе
Актуальность темы.
С развитием техники диодной накачки кристаллы двойных боратов состава ЮСз(ВОз)4 (R - Y, La, лантаноиды; X - Al, Ga, Sc) все более привлекают внимание разработчиков лазерных материалов. Двойные бораты имеют достаточную для практических применений лазерную стойкость (~ 0.5 ГВт/см2 при воздействии импульсным излучением Nd:YAG-na3epa с длительностью 10—20 не); допускают введение высоких концентраций активатора Nd без значительного самотуліения люминесценции (характерные времена жизни излучательно-го терма 4F3/2 неодима лежат в пределах 120 мке - 50 мке при изменении концентрации неодима от процентов до десятков процентов); часть из них кристаллизуется в нецентросимметричные структуры, что обуславливает ненулевую квадратичную восприимчивость (d^ 10~12 м/в) и возможность реализации трехчастотных параметрических процессов, в частности, процессов самоудвоения частоты стимулированного излучения. Характерная величина сечения стимулированного излучения на длине волны 1062 нм для лазерного перехода 4F3/2 -> 41п/2. определенная из спектров люминесценции двойных боратов с неодимом, составляет 1-2x10"" см2.
Один из недавно разработанных двойных боратов - скандоборат церия- гадолиния-неодима (Nd:CSB, далее скандоборат церия) является не только высококонцентрированной активной средой, но и нелинейным материалом. Для высококонцентрированных лазерных сред с активаторным ионом неодима характерно значительное поглощение в зеленой части спектра, связанное с переходами 4f электронов неодима в возбужденные состояния. В зависимости от типа кристаллической матрицы и концентрации неодима величина поглощения составляет 10-И 5см"1. В лазерах с высококонцентрированной Nd-содержащей активно-нелинейной средой это поглощение может приводить к снижению эффективности процессов генерации второй гармоники (ГВГ).
В этой связи исследование линейных и нелинейных оптических свойств нового кристалла скандобората церия и анализ в нем процессов ГВГ с учетом характерного для высококонцентрированных активных сред поглощения в зеленой области спектра является актуальной задачей.
Объект и методы исследования.
Объектом исследований являлись монокристаллы как чистого скандобората церия, так и активированного неодимом. Критерий выбора был основан на их научной и практической значимости, обусловленной активно-нелинейными свойствами.
Экспериментальные методы исследований включали в себя измерения показателей преломления, коэффициентов поглощения и эффективной нелинейной восприимчивости кристаллов CSB и Nd:CSB (Nd 25% at). Теоретическое
описание процессов ГВГ в этих кристаллах базировалось на использовании системы укороченных уравнений в плосковолновом приближении; их решении численным методом Рунге-Кутта-Мерсона (нелинейный режим генерации) и аналитическим в приближениях заданного поля (ЗП) и заданной интенсивности (ЗИ) (линейный режим генерации).
Часть диссертационной работы выполнена в рамках научно-исследовательского проекта Международного Научно -Технического Центра (МНТЦ) № 252-96 "Разработка новой среды на основе редкоземельных скандо-боратов для создания лазерных источников, излучающих в диапазонах 0.53, 1.06,1.5 мкм".
Цель работы состояла в измерении линейных и нелинейных оптических характеристик кристаллов CSB и Nd:CSB и анализе факторов, определяющих эффективность процессов ГВГ вне резонатора.
Дня достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:
измерить линейные и нелинейные оптические характеристики кристаллов CSB и Nd:CSB и определить возможность реализации синхронных процессов ГВГ;
исследовать зависимость КПД процессов ГВГ типа о + о->еио + е->е от плотности мощности накачки, коэффициента поглощения на частоте второй гармоники, волновой расстройки, длины нелинейного элемента и др.;
провести классификацию и рассмотреть геометрические аспекты векторных процессов ГВГ с участием рассеянных волн и обосновать возможность использования этих процессов для контроля оптического качества нелинейных кристаллов.
Научная новизна работы.
-
Измерены главные значения показателей преломления кристалла CSB в диапазоне длин волн 0.45-1.75 мкм; проведена их аппроксимация полиномами Селмейера; на основании данных о характере дисперсии показателей преломления оксидных кристаллов диапазон аппроксимации расширен до 3 мкм.
-
Получены данные о дисперсии коэффициентов поглощения кристалла Nd-.CSB^jyw обыкновенной и необыкновенной волн в интервале 0.35-1.3 мкм, содержащем полосы поглощения ионов неодима.
-
Определена величина эффективного нелинейного коэффициента для процесса ГВГ типа о + о -> е в кристаллах CSB и Nd:CSB.
-
Найдены интегралы движения системы укороченных уравнений в случае ненулевой волновой расстройки и одинаковых коэффициентов поглощения на частотах накачки и нтопой гапмоники (ттпопессы о 4- о —» е и о 4- е —» е ); ппиве-дены точные выражения для волновой расстройки при произвольном направлении волнового вектора волны накачки относительно входной грани нелинейного кристалла.
-
Проведена классификация и рассмотрены геометрические аспекты векторных процессов ГВГ с участием рассеянных волн. Установлены геометриче-
ские границы фоновых процессов с участием двух рассеянных волн. Показано, что векторные синхронные процессы ГВГ могут быть использованы для контроля оптического качества нелинейных кристаллов. Практическая значимость работы.
-
Экспериментальные данные о линейных и нелинейных характеристиках кристаллов CSB и Nd:CSB могут использоваться для расчета важнейших параметров нелинейных преобразователей частоты на этих кристаллах.
-
Предложено использовать векторные синхронные процессы ГВГ с участием рассеянных волн для контроля оптического качества нелинейных кристаллов.
-
Созданы три учебных пособия, посвященные линейным и нелинейным оптическим свойствам одноосных кристаллов: «Отражение и преломление света на границе изотропная среда - одноосный кристалл», «Основы кристаллооптики. Линейные эффекты» и «Введение в прикладную нелинейную оптику», которые используются в учебном процессе на физико-техническом факультете Кубанского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Линейные и нелинейные характеристики кристаллов CSB и Nd:CSB.
-
Введение неодима в кристаллическую матрицу CSB не уменьшает КПД процесса ГВГ в кристалле Nd:CSB, несмотря на возрастание его коэффициента поглощения на частоте второй гармоники до 10 см"1.
-
Обнаружение слоистости кристаллов CSB, Nd:CSB и оценка ее влияния на эффективность процессов генерации второй гармоники.
-
Вывод о целесообразности использования активно-нелинейных элементов из кристаллов Nd:CSB в лазерах е торцевой диодной накачкой, сделанный на основании исследования его нелинейных свойств.
-
Использование процессов ГВГ с участием рассеянных волн для контроля оптического качества нелинейных кристаллов.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации докладывались на научных семинарах физико-технического факультета, кафедры теоретической физики и компьютерных технологий Кубанского государственного университета, Научно-производственного объединения «ФИРН».
По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 6 статей, 3 учебных пособия.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитированной литературы.
Общий объем диссертации 132 стр., в том числе 6 таблиц, 49 рисунков и библиографический список из 67 наименований.
