Введение к работе
Актуальность темы
Диссертационная работа направлена на решение задач, актуальных как для радиофизики (исследование изменений показателя преломления лазерных кристаллов при интенсивной накачке), так и для лазерной физики (исследование возможности построения адаптивных лазеров с диодной накачкой и резонатором на динамических голографических зеркалах).
На протяжении последнего десятилетия в области твердотельных лазеров наблюдается серьёзный прогресс, связанный с развитием новых эффективных методов накачки излучением диодных лазеров [1*]. Существующие технологии позволяют получать диодные лазеры с мощностью в десятки ватт в непрерывном режиме и сотни ватт в импульсном режиме генерации. Узкий энергетический спектр излучения диодных лазеров при совмещении его с полосой поглощения активной среды позволяет существенно увеличить КПД твердотельных лазеров (с нескольких процентов при ламповой накачке до десятков процентов), а также уменьшить наводимые накачкой фазовые искажения, такие как тепловые линзы и деполяризация. Использование диодной накачки сделало возможным создание компактных высокоэффективных лазерных систем с уровнем мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт, имеющих широкое применение в различных сферах деятельности (прецизионные технологии, медицина, военная техника, научные исследования и др.). Тем не менее, даже использование узкополосной диодной накачки не позволяет полностью устранить фазовые искажения, наводимые в активной среде интенсивной накачкой [2*,3*].
Хорошо известно, что наводимые интенсивной накачкой динамические оптические неоднородности способны существенно влиять на характеристики световых пучков в лазерных усилителях и генераторах [4 , 5*]. Динамические изменения показателя преломления (ИПП), возникающие в лазерных кристаллах и стеклах при интенсивной накачке (лазерной или ламповой), могут бьпь обусловлены не только нагревом, но и изменением населённости уровней ионов активатора, имеющих различную поляризуемость в возбуждённом и невозбуждённом состояниях ("электронная" компонента ИПП) [6*,7*]. Результаты проведённых раннее исследований ИПП в кристалле Nd:YAG при интенсивной ламповой накачке показали, что существенные изменения показателя преломления могут бьпь обусловлены заселением высоко-
РОС НАЦИОНАЛЬНА* І 1
лежащих энергетических уровней 4ґ-оболочки ионов Nd ( F(2)5a, D3/2
и Рзд) [8*]. Согласно оценкам, поляризуемость этих уровней на длине волны 1064 нм на несколько порядков превышает как поляризуемость основного состояния І9/2. так и верхнего уровня F3/2 рабочего перехода. При этом значительное спектральное отличие между широкополосной ламповой и узкополосной диодной накачками может приводить к различию как в заселении энергетических уровней ионов активаторов, так и в динамике показателя преломления.
Результаты интерферометрических исследований ИПП лазерных кристаллов с ламповой накачкой выявили ряд закономерностей, но не дали полного представления о механизмах "электронных" ИПП и показали необходимость более детального изучения спектроскопических и нелинейно-оптических свойств активных сред, обусловленных изменением населённостей энергетических уровней ионов активаторов при интенсивной накачке. Открытым оставался вопрос о механизмах нелинейных изменений показателя преломления лазерных кристаллов при узкополосной диодной накачке.
Помимо понимания природы возникновения оптических неоднород-ностей активных сред актуальность сохраняют исследования методов компенсации наводимых интенсивной накачкой фазовых искажений, способных значительно снижать качество генерируемых пучков мощных лазерных систем. Одним из возможных решений данной задачи является использование лазерных резонаторов на динамических голо-графических зеркалах, формируемых самими волнами генерации в нелинейно-оптическом элементе, в качестве которого может выступать активная среда (лазерные кристаллы). Благодаря эффекту обращения волнового фронта при четырехволновом смешении такие самоорганизующиеся резонаторы обладают адаптивными свойствами к фазовым искажениям и позволяют получать генерацию с высокой (в среднем по времени) мощностью при хорошем качестве пучка, близком к дифракционному пределу.
В последнее время активно исследовались лазерные системы с широкополосной ламповой накачкой на кристалле Nd:YAG и резонатором на динамических голографических зеркалах, обусловленных решетками показателя преломления. Бьша достигнута генерация излучения со средней мощностью в сотни ватт при высоком качестве пучка (близком к дифракционному пределу) [9*, 10*]. Но вопрос о возможности получения генерации в диодно-накачиваемой системе с самоорганизующимся резонатором оставался открытым.
Таким образом, актуальность темы данной диссертации обусловлена следующими обстоятельствами: 1) необходимостью изучения нелинейно-оптических свойств лазерных сред при их интенсивной накачке; 2) необходимостью развития мощных лазерных систем с хорошим качеством пучка генерации.
Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании механизмов изменения показателя преломления лазерных кристаллов, обусловленных изменением населённости уровней ионов активатора ("электронная" компонента ИПП) при интенсивной накачке (диодной, диодно-лазерной), а также в исследовании возможности построения диодно-накачиваемых лазеров, резонаторы которых формируются с помощью динамических голограмм, индуцированных в лазерных кристаллах самими генерируемыми пучками.
Научная новизна работы заключается как в постановке конкретных задач, так и в полученных результатах. В частности, в работе впервые:
При интенсивной комбинированной накачке кристалла NdYAG лазерными диодами (длина волны генерации 808 нм) и 2-ой, 3-ей или 4-ой гармониками импульсного NdYAG лазера (длина волны генерации 532 нм, 354,7 нм и 266 нм, соответственно) исследовано заселение вы-соколежащих энергетических уровней ( F(2)5/2, D3/2 и Р3/2) путем возбуждения как с основного состояния (уровня I9/2), так и с верхнего ме-тастабильного уровня рабочего перехода F3/2 ("наведённое поглощение") за счет высокоэффективного межконфигурационного 4f-5d перехода.
С помощью высокочувствительного поляризационного интерферометра Жамена-Лебедева проведены исследования изменений показателя преломления (ИПП) в кристалле NdYAG, показавшие существование значительных "электронных" ИПП при интенсивной диодной или диодно-лазерной накачке, обусловленные заселением как верхнего уровня рабочего перехода F3/2, так и высокоэнергетического уровня 2F(2)sn-
Аналитически оценены вклады в поляризуемость уровня F3/2 из-лучательных и поглощательных переходов внутри электронной 4f оболочки, а также межконфигурационных 4f-5d переходов.
4. Исследована возможность построения диоднонакачиваемых
лазеров на кристаллах NdYAG и Nd:YV04 с самоорганизующимся
резонатором на динамических голографических зеркалах, обуслов
ленных решётками показателя преломления, которые формируются в
кристаллах самими волнами генерации. Продемонстрирована способ-
ность таких лазеров генерировать пучки излучения с хорошим качеством, близким к дифракционному пределу, при высокой эффективности преобразования оптической энергии накачки в излучение генерации.
На защиту выносятся следующие положения:
При интенсивной накачке лазерных кристаллов, активированных ионами Nd , происходит заселение высокоэнергетических уровней ( F(2)5/2, D3/2 И Рзд), если спектр накачки содержит компоненты, соответствующие наведённому поглощению (за счёт межконфигурационных 4f-5d переходов с метастабильного уровня F3/2). При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением диодного лазера на длине волны 808 нм и лазерным пучком на длине волны 266 нм реализуется эффективное заселение квазиметастабильного высоко-лежащего уровня F(2)s/2, которое сопровождается интенсивной люминесценцией в фиолетово-голубом диапазоне спектра.
В лазерном кристалле Nd:YAG при интенсивной диодно-лазерной накачке возникают значительные по величине (соизмеримые с тепловыми) "электронные" изменения показателя преломления, обусловленные различием поляризуемости возбуждённых и невозбуждённых ионов активатора. В кристалле Nd:YAG электронная компонента изменений показателя преломления достигает величины 10* при импульсной диодной накачке и значительно возрастает при дополнительной накачке УФ излучением (на длинах волн 280-320 нм, 240-280 нм и других), обеспечивающей заселение высоколежащего квазиметастабильного уровня F(2)sa- Электронные изменения показателя преломления играют важную роль в динамике лазеров и нелинейно-оптических эффектах в лазерных кристаллах и накладывают серьёзные ограничения на создание безаберрационных лазерных систем с высокой мощностью накачки.
Экспериментально доказана возможность построения диодно-на-качиваемых твердотельных лазеров со взаимным динамическим резонатором, замыкаемым решётками показателя преломления и коэффициента усиления, которые сопровождают решётки населённости и возбуждаются в активной среде интерференционным полем самих пучков генерации.
4. Лазеры нового класса на кристаллах Nd:YAG и Nd:YV04 с
накачкой диодными линейками (или матрицами) и динамическим голо-
графическим резонатором способны генерировать излучение в им-
пульсно-периодическом и непрерывном режимах. Резонаторы на дина
мических решётках населённости обладают адаптивными свойствами к
фазовым искажениям, наводимым в активной среде интенсивной накачкой, и могут бьпь использованы для создания мощных эффективных диодно-накачиваемых твердотельных лазеров с высоким качеством пучка.
Научная и практическая значимость результатов работы
Результаты проведённых в диссертационной работе исследований механизмов изменения показателя преломления лазерных кристаллов (в частности, наиболее широко используемого в промышленности и научных исследованиях кристалла Nd:YAG) важны для построения более точных моделей, описывающих нелинейно-оптические эффекты в лазерных усилителях и генераторах при интенсивной ламповой, диодной, лазерной накачках.
Результаты работы также могут бьпь использованы при проектировании компактных высокоэффективных лазеров новой архитектуры с диодной накачкой, способных генерировать пучки дифракционного качества с высокой мощностью (десятки-сотни Вт) в непрерывном режиме и высокой энергетикой (десятки-сотни мДж) в импульсом режиме генерации. Такие лазеры могут применяться в прецизионных технологических процессах, медицине, научных исследованиях (в таких организациях, как ИПФ РАН, ИОФ РАН, ННГУ, ИФМ РАН идругих).
Апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Advanced High-Power Lasers and Applications (Osaka, Japan, November 1-5,1999); SPIE's Symposium on High-Power Lasers and Applications (San Jose, CA, USA, Jan 27,2000); Conference on Lasers and Electro-Optics (San Francisco, California, May 2000); The 15th International conference on laser and Electro-optics in Europe (Munich, Germany, 2001); International conference ICONO'01 (Minsk, Belarus, 2001); Second International conference for Young Scientists OPTICS'2001 (S. Petersburg, Russia, 2001); Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT-2002 (Moscow, Russia, June 22-27,2002); Advanced Solid-State Photonics Topical Meeting (San Antonio, USA, February 2-4,2003); Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO'2003 (Baltimore, U.S., June 1-6, 2003); Conference on Lasers and Electro-Optics CLEOEUROPE 2003 (Munich, Germany, June 22-27, 2003); XI Conference on Laser Optics (St. Petersburg, Russia, June 30 - July 4, 2003); Iй International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers CAOL'2003 (Alushta, Crimea, Ukraine, September 16-20, 2003); 3-
rd Russian-French Laser Symposium "Laser Physics, Applications, and Technologies" (Moscow, Russia, October 8-10,2003); Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO'2004 (San Francisco, USA, May 2004); Conference on "Photonics/Europe'2004 (Strasbourg, France, April 26-30, 2004); Ежегодная конференция по радиофизике, Нижний Новгород, 1999-2003 гг.; Нижегородская сессия молодых учёных, Нижний Новгород, 2002 г., 2003 г.; Научная Школа "Нелинейные волны", Нижний Новгород, 2002 г., 2004 г. Результаты диссертации также обсуждались на семинарах кафедры электродинамики ННГУ и отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в статьях [1-6], а также в тезисах докладов конференций [7-34].
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков и список литературы из 108 наименований.
