Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона

Дорошенко, Максим Евгеньевич

Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Дорошенко, Максим Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона»

Автореферат диссертации на тему "Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона"

РОССИЙСкАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А.М. ПРОХОРОВА

На правах рукописи УДК 621.373.8

Дорошенко Максим Евгеньевич

АКТИВНЫЕ СРЕДЫ СПЕКТРАЛЬНО ПОЗИЦИОНИРОВАННЫХ ЛАЗЕРОВ Ж ДИАПАЗОНА

(01.04.21 - лазерная физика) АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических

наук

Москва 2005

Мбгоуг

Работа выполнена в Научном центре лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация: Физический институт им П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)

Защита диссертации состоится 27 июня 2005 года в 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.063 02 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 38. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А М Прохорова РАН.

Автореферат разослан 25 мая 2005 года.

профессор Басиев Тасолтан Тазретович

Кустов Евгений Федорович, Московский энергетический институт (Технический Университет)

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Ушаков Сергей Николаевич,

Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Ученый секретарь Диссертационного совета

Макаров В.П. тел. 132-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В течение достаточно долгого времени основным приложением лазерных систем было взаимодействие лазерного излучения с веществом, включающее в себя лазерную резку и сварку, лазерную хирургию и др., для которых основными параметрами лазерного излучения были выходная мощность, КПД, расходимость излучения При этом спектральные характеристики излучения (точная длина волны генерации, ширина спектра и т.д.) были достаточно второстепенны, поскольку не играли решающей роли Однако, за последнее время возник целый ряд областей применения, для которых спектральные характеристики излучения вышли на первый план Среди них можно отметить телекоммуникацию, для которой существенную роль играют так называемые «окна прозрачности» сред, в которых распространяется излучение; лазерную диагностику содержания примесей, где необходимо точное совпадение частоты излучения лазера с узкой спектральной линией поглощения детектируемого вещества, спектроскопию материалов с высоким разрешением, медицину и т.д Одними из наиболее распространенных и высокоэффективных лазеров являются лазеры на основе редкоземельных (РЗ) ионов в твердых телах.

Поскольку спектроскопические свойства редкоземельных ионов зависят от типа кристаллической матрицы, представляется важным определить влияние таких параметров как тип аниона окружения, силы кристаллического поля, симметрии оптических центров на длину волны лазерного излучения Необходимо отметить, что оценка влияния отдельных параметров на длину волны лазерного излучения в некоторых работах уже предпринималась, однако систематического анализа не проводилось Поэтому разработка методики выбора кристаллических матриц, активированных РЗ ионами, позволяющей на основе спектроскопических исследований предложить материал, обеспечивающий создание лазерных сред с определенными

спектроскопическими свойствами, представляется одной из актуальных задач современной науки.

Высокоэффективным способом освоения новых диапазонов спектра и получения новых длин волн генерации является создание лазерных и нелинейных конвертеров. Ключевым звеном здесь является поиск и исследование новых лазерных материалов и нелинейных материалов для вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) и разработка эффективных схем их оптической накачки. Решение этих проблем позволяет значительно расширить диапазон генерации твердотельных лазеров до 1.3-5 мкм.

Фундаментальные вопросы кооперативного переноса оптических возбуждений от одного атома (иона) с большей энергией к двум атомам (ионам) с меньшей энергией и наоборот теоретически начали обсуждаться еще 50 лет назад в работах Д.Л Декстера (D L Dexter) В 70-е годы в связи с поиском материалов и схем лазеров видимого диапазона основное внимание было уделено исследованию процессов ир-конверсик (В.В Овсянкин, П.П. Феофилов), что привело к обнаружению безызлучательного кооперативного переноса энергии в высоко концентрированных кристаллах при сильном оптическом возбужденнии одновременно от двух ионов Yb3+, выступающих в качестве кооперативного донора энергии, к одному иону ТЬ3*, выступающему в роли акцептора (Л.Д. Ливанова, И.Г Сайткулов, А.Л. Столов). Вероятность такого кооперативного процесса оказалась очень мала -на два-три порядка меньше вероятности радиационного распада участвующих уровней. Квантовый выход этого интересного физического процесса оказался менее 1% и он не нашел каких либо практических приложений. В последнее время возникла потребность продвижения из ближнего инфракрасного (ИК) диапазона в средний ИК диапазон. В связи с этим особый интерес могут представлять процессы деления или размножения возбуждений, идущие с уменьшением энергии, но ростом их числа. Поэтому актуальной задачей представляется исследование кооперативного процесса

безызлучательного переноса энергии от одного иона донора с большей энергией одновременно на два, три иона акцептора, с меньшей энергией (с1оит1-конверсии), а также определение параметров, оказывающих влияние на эффективность такого процесса.

В диссертации решены следующие научные задачи:

1. На основе исследования свойств ионов неодима в кристаллических матрицах оксидов и фторидов разработаны методы поиска и селекции активных сред для получения усиления и генерации в заданном диапазоне длин волн 1.28-1.32 мкм. Предложен спектроскопический критерий качества кристаллических сред.

2. Определены наиболее подходящие среды и создан ряд источников лазерного излучения с заданными спектральными характеристиками.

3. Обнаружен и исследован процесс кооперативного безызлучательного переноса энергии (до\уп -конверсии) от одного иона донора на двухчастичные и трехчасгичные кооперативные акцепторы в кристаллах твердых растворов ЬаьхСвхРз с примесями редкоземельных ионов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

1. На основе проведенного анализа и экспериментальных исследований определены спектроскопические методы поиска и разработки неодимсодержащих кристаллов для лазеров и усилителей диапазона 1.281.32 мкм. Сформулированы требования к материалу активной среды для получения коротковолновой люминесценции, усиления и генерации (высокая степень ионности связи редкоземельный ион-лиганд; значительная величина высокосимметричных параметров кристаллического поля). Определены лазерные среды (Э^ШРз, СаРг^сШз, СсШг^сШз, твердые растворы СаРг^^^сШз, 8гР2:ЬаРз:ШРз), обладающие наиболее коротковолновыми лазерными переходами (1 29-

1 33 мкм) с минимальным значением потерь из возбужденного состояния и максимальным сечением генерационного перехода (ст=4-5х10"21 см2)

2. Предложен и реализован метод перестройки длины волны генерации (1.32-1.34 мкм) лазера на основе твердых растворов с неоднородным уширением и расщеплением спектра в одном и том же кристалле (например SrF2:NdF3) путем изменения длины волны накачки (в частности 748-752 нм) при селективном оптическом возбуждении различных оптических центров иона неодима.

3. Оптимизированы параметры кристаллических лазеров и усилителей на кристаллах гадолиний галлиевого граната с неодимом и созданы эффективные спектрально позиционированные источники лазерного излучения в диапазонах 1.3 мкм (доя накачки молекулярных газов), 1.4 мкм (для медицинских приложений), 1.5 мкм (для безопасных для глаз лидаров).

4. Получена эффективная генерация ВКР лазера на основе кристалла вольфрамата бария в среднем ИК диапазоне с длинами волн 1 53 мкм (первая стоксова компонента), 1.78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13 5% и 5% соответственно.

5 Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (PbGaiS-O, активированного ионами диспрозия, и впервые получена генерация в области среднего Ж диапазона (4.33 мкм) с эффективностью 0.6% при накачке YAG:Nd3+ лазером, генерирующем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации

6. Обнаружен и исследован процесс кооперативного переноса энергии, down конверсии и размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3 с примесью ионов Nd3+, Tb3+, Но3+, Er3+, Tm3+, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии (102-104 с"1) по сравнению с известным

процессом кооперативной ир-конверсии, и определено влияние величины элементов матричного оператора (ц/.Г||и(*)||ц/'.Г)2 (где |( и(01| приведенные матричные элементы неприводимых тензорных операторов ранга ^ донорных переходов и интегралов перекрытия спектров люминесценции доноров с виртуальными спектрами поглощения двух и трехчастичного акцепторов - ионов церия на эффективность процесса кооперативного переноса энергии, которая варьировалась от 9 до 97%.

Научная новизна результатов.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе являются новыми.

Разработан спектроскопический метод поиска и исследования неодиМсодержащих кристаллов для лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм, заключающийся в определении по спектрам поглощения ионов неодима в кристаллической матрице отношения сил линий на усиливающем переходе и переходе 4Рз/2-40?д, связанном с поглощением из возбужденного состояния Показано, что отношение указанных сил линий может служить спектроскопическим критерием применимости неодимсодержащих кристаллических активных лазерных сред для создания лазеров и оптических усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм и характеризует возможность получения коротковолнового усиления и генерации.

Сформулированы требования к материалу активной среды для получения коротковолновой люминесценции, усиления и генерации в области 1,3±0.02 мкм, заключающиеся в высокой степени ионности связи редкоземельный ион-лиганд, приводящей к уменьшению т.н. нефелауксетического сдвига и сдвигу оптических частот переходов в коротковолновую область, наличию сильного внутрикристаллического поля, приводящему к значительному Штарковскому расщеплению уровней, высоким значениям

высокосимметричных параметров кристаллического поля (В4, Во) и малой величине низкосимметричного возмущения (В2).

Предсказано и установлено наличие наиболее коротковолновой люминесценции (А,=1 298-1 301 мкм) и наибольшего значения сечения усиление в области 1,3 мкм (ст~5-6х10*21 см2) в кристаллах простых фторидов Са и Бг с ярко выраженной ионной связью и преобладанием высокосимметричных тетрагональных оптических центров иона неодима Высокие усилительные свойства исследованных фторидных кристаллов подтверждены лазерными экспериментами по генерации в коротковолновой области спектра кристалла БгРг^ёРз (Х=1.298-1.32 мкм), которая также представляет интерес для оптической накачки лазера на кристалле тиогаллата свинца, активированного ионами диспрозия (РЬОагБ^ Оу3+), генерирующего в среднем ИК (4.33 мкм) диапазоне

Показано, что использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната, активированного ионами неодима, (ООС'Ш3+) позволяет получить наиболее близкие значения длин волн генерации для прямого оптического возбуждения линии поглощения 11(4) второго обертона НР(2-0) молекулярного газа и продемонстрирована возможность создания узкополосного (ширина линии генерации ~0.02 см"1) генератора с температурной и резонаторной плавной перестройкой длины волны в диапазоне 1,3307-1,3315 мкм выходного излучения для наиболее полного совпадения с линией поглощения молекулярного газа.

При накачке наносекундным излучением 1.3 мкм неодимового лазера получена эффективная генерация ВКР лазера на основе нового кристалла вольфрамата бария в среднем ИК диапазоне с длинами волн 1 53 мкм (первая стоксова компонента), 1 78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13 5% и 5% соответственно.

Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (РЬвагБ^, активированного ионами диспрозия, и впервые

получена генерация в области среднего ИК диапазона (4.33 мкм) с эффективностью 0 6% при накачке УАО'Ш3* лазером, генерирующем на длине волны 1318 мкм в режиме свободной генерации.

Обнаружен и исследован процесс высокоэффективного кооперативного переноса энергии, с!о\уп-конверсии и размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Ьа1.хСехРз, активированных РЗ ионами Ш3+, Ег3+, Тт3+, Но3*, ТЬ3+, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии (ёолш-конверсии) по сравнению с известным процессом кооперативной ир-конверсии.

Впервые получены кинетики кооперативного тушения различных РЗ ионов и нелинейные зависимости скорости кооперативного тушения от концентрации акцепторных ионов. Показана корреляция скорости кооперативного тушения в системе РЗ ион -2Се3+ с величиной элементов матричного оператора (\)Л||и(0||\уТ)2 оптического перехода в ионе донора, который варьируется различных РЗ ионах на два порядка величины. Определено влияние на скорость кооперативного тушения величины интеграла перекрытия спектров люминесценции донорных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух и трех частичного акцепторов ионов церия. Для донорных ионов туллия (Тт3+), гольмия (Но3+), имеющих наиболее высокие значения элементов матричного оператора 1| и(0 || Ч/Т)2, получены скорости кооперативной релаксации порядка 104 с"1, значительно превосходящие скорости излучательной релаксации (порядка 103 с"1) соответствующих уровней.

Предложена схема последовательной и кооперативной сенсибилизации ионов Се3+ ионами Бу3*, Ег3+, Тт3*, Но3+ с квантовым выходом 200-300% за счет размножения возбуждений. Измерены спектры ИК люминесценции и времена жизни метастабильного уровня ионов Се3+, демонстрирующие перспективность данного активатора для создания лазеров среднего ИК диапазона (4-5 мкм).

Практическая значимость работы

Результата анализа, численного моделирования и экспериментальных исследований могут быть использованы для создания лазеров и усилителей диапазона 1 28-1.32 мкм для решения задач телекоммуникации; оптической накачки кристаллов и молекулярных газов.

Новые источники лазерного излучения - ВКР-генераторы, кристаллические и газовые лазерные конверторы с новыми линиями генерации в слабо освоенных диапазонах длин волн 1 5-2.2 мкм, 3 5-5 5 мкм могут найти многообразные применения в экологии, медицине, оптической локации и связи

Новые схемы кооперативной сенсибилизации и <1о\уп-ксщверсии могут найти применение при создании лазеров среднего ИК диапазона (4-5 мкм)

Личный вклад автора.

Основные материалы диссертации изложены в опубликованных работах Общее число работ автора превышает 40, из них 25 по теме диссертации Часть результатов диссертации защищена российскими патентам V (3) Результаты диссертации отражают личный вклад автора в опубликованные работы. Исследования выполненные в диссертационной работе проводились автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и одного приложения Во введении дано обоснование выбранной темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи, научная новизна и практическая значимость.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ влияния материала матрицы на длину волны излучения ионов трехвалентного неодима (Ш3*) на переходе ^ъа-Ьга На основе проведенного анализа определены требования к

кристаллическим материалам матрицы, активированной ионами Ш3* для получения коротковолновой 1.28-1.32 мкм генерации и усиления, включающие в себя' высокую степень ионности связи редкоземельный ион-лиганд, малую величину нефелауксетического сдвига, сильное внутрикристаллическое поле и высокие значения высокосимметричных параметров кристаллического поля. Разработан спектроскопический критерий применимости активной среды для генерации и усиления в заданной области спектра, представляющий собой отношение сил линий на усиливающем переходе и переходе "Рз/2-407/2, связанном с

поглощением из возбужденного состояния (Зеп-УЗЕзд) Физический смысл этого критерия заключается в том, что при значении критерия 8ет/5ьйА>1 усиление на переходе ^ъп-\уг превышает потери на поглощение из возбужденного состояния на переVоде ^га-Сиг Сформулированные требования к материалу матрицы позволили выделить два класса материалов, наиболее перспективных с точки зрения получения коротковолновой генерации и усиления: фториды и их твердые растворы и алюминиевые гранаты и гексаалюминаты Для выбранных материалов были измерены спектры поглощения при комнатной температуре, произведен расчет параметров интенсивности в соответствии с теорией Джадца-Офельта и определены отношения сил линий на усиливающем переходе и

переходе связанном с поглощением из возбужденного состояния

(Зсш/Бььл) Кроме того были рассчитаны вероятности спонтанного перехода А для перехода 4Рз/2-4Тв/2, коэффициенты ветвления люминесценции и радиационное время жизни тг верхнего лазерного уровня. Для подтверждения правильности выбора материалов матрицы для коротковолнового усиления и генерации были измерены спектры люминесценции и времена жизни верхнего лазерного уровня (^3/2). Из соотношения сил линий (5Ш1/8г.5а) на усилительном переходе и переходе, связанном с поглощением из возбужденного состояния, было получено соотношение параметров интенсивности теории Джадца-Офельта для иона неодима, которое было

предложено использовать как критерий отбора кристаллических матриц для получения усиления и генерации в области спектра 1.28-1.32 мкм Из нескольких десятков исследованных кристаллов были выбраны те, которые имеют наибольшие значения указанного соотношения для сил линий. Для этих кристаллов спектры люминесценции были пересчитаны в спектры сечений вынужденного излучательного перехода (<тИгА)) Полученные спектральные зависимости сечений подтвердили правильность предложенного подхода к выбору материала матрицы Для ряда отобранных кристаллов была получена коротковолновая генерация, записаны спектры генерации и показана возможность получения усиления стимулированного излучения в коротковолновой области. Продемонстрирована возможность получения генерации на различных оптических центрах ионов неодима с соответствующей перестройкой частоты генерации при селективном оптическом возбуждении

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ для кристалла гадолиний галлиевого граната с неодимом (ОСС'Ш3+) спектроскопическими методами определено значение пикового сечения усиления, величина которого была подтверждена из экспериментов по генерации кристаллов (ЗСЮМ на переходе *Туг-\уг Для кристаллов вСК} N4 и ОСЮСг.Ш (соактивированных ионами трехвалентного хрома) получена эффективная генерация на длине волны 1.331 мкм с абсолютным КПД до 2.2%

На основе выработанного подхода к выбору материала матрицы сформулированы требования к получению длинноволновой генерации в области 1 4 мкм на переходе ^уг-*\\ш Излучение с данной длиной волны интересно тем, что его поглощение в воде велико и близко по своей величине поглощению для известных безопасных для глаз лазеров на эрбиевом стекле (Х=1.54 мкм), а также туллиевым и гольмиевым лазерам (А.-2 мкм). Наиболее перспективными материалами для получения длинноволновой генерации в области 1 4 мкм следует признать кристаллы гранатов вследствие большого Штарковского расщепления уровня 3/2 из-за высоких значений

высокосимметричных параметров кристаллического поля В^, Вб и, как следствие, смещения красного края люминесценции в более длинноволновую область по сравнению с фторидными кристаллами, ближе к максимуму пика поглощения воды в этой области спектра Для лазерного кристалла GGG Nd получен спектр сечения вынужденного перехода в области 1.4 мкм и показано, что максимальная величина сечения всего в 4 раза меньше, чем соответствующее значение в области 1 3 мкм, и составляет 1 4x10"20 см2 При этом соотношение между величинами сечений вынужденного перехода для перехода ^зя-^зд в области 1 4 мкм и основного перехода 4F3/2-4Ii 1/2 ^-=1 062 мкм составляет 0.086, что в два раза лучше, чем для кристалла YAG:Nd Такое выгодное соотношение между сечениями позволяет получать генерацию на длине волны 1.424 мкм на кристаллах GGG.Nd в обычном линейном резонаторе со специально подобранными зеркалами без дополнительных внутрирезонаторных спектрально селектирующих компонентов Для кристалла GGG.Cr,Nd получена эффективная генерация на длине волны 1423.7 нм с дифференциальным КПД 1 5%. При частоте повторения импульсов 8 Гц порог лазерной генерации составил 30 Дж, а максимальная энергия генерации при энергии накачки 188 Дж составила 2.3 Дж, что соответствует абсолютному КПД 1.2%

Была исследована возможность создания узкополосного спектрально позиционированного лазера с длиной волны излучения вблизи 1.331 мкм для оптической накачки HF(2-0) молекулярного газа для создания эффективных лазеров среднего ИК (4-5 мкм) диапазона. Исследованы спектры люминесценции ряда галлиевых гранатов ч определено, что наиболее близкое перекрытие спектров люминесценции и поглощения линии R(4) HF(2-0) молекулярного газа соответствует кристаллу гадолиний-галлиевого граната, активированного ионами неодима (GGG:Nd3+). Поскольку положение линии поглощения молекулярного газа R(4) не точно соответствует максимуму пика люминесценции GGG Nd, были исследованы методы управления длиной волны лазерного излучения для точной

подстройки длины волны генерации на максимум линии поглощения молекулярного газа. Наиболее широкая область перестройки длины волны излучения -12.5 А была получена при использовании селективного резонатора с дифракционной решеткой в режиме скользящего падения. Кроме того, была реализована температурная подстройка длины волны генерации с наклоном ~0 06 А/град в диапазоне температур 10-100 °С. Для получения высоких энергий излучения узкополосного одночастотного генератора предложено использование многопроходового усилителя, построенного по кольцевой схеме. Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование однопроходового и регенеративного многопроходового усилителей Показано, что для кольцевого регенеративного усилителя величина усиления примерно в 3 раза превышает соответствующее значение для случая однопроходового усилителя.

Для дальнейшего продвижения в длинноволновую область (^=1,5 мкм, официально сертифицированная как безопасная для глаз) исследованы Рамановские лазеры, работающие на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), позволяющие сместить длину волны генерации 1.3 мкм неодимовых лазеров в диапазон 1.5 мкм. Проведенное численное моделирование и экспериментальные исследования одномодовых неодимовых лазеров, генерирующих излучение на длине волны 1 33 мкм, с пассивной модуляцией добротности кристаллами Б^Ш2* (приведенное в ПРИЛОЖЕНИИ 1), позволило оптимизировать параметры пассивного затвора и оптическую схему резонатора лазера накачки. Такие лазеры были использованы для внутрирезонаторной и внешней накачки ВКР лазеров на кристалле Ва(Ж)з)2. При внутрирезонаторной накачке КПД ВКР лазера на кристалле Ва(КОз)г составил 83%, что близко к теоретическому пределу, и демонстрирует возможность создания высокоэффективных одномодовых лазеров диапазона 1.5 мкм.

В ВКР лазере на основе нового кристалла вольфрамата бария при накачке лазером на кристалле УАО:Ш3+ с акустооптической модуляцией

добротности, работающем на длине волны генерации 1 34 мкм, получена эффективная генерация в среднем ИК диапазоне на длине волны 1.53 мкм (первая стоксова компонента), 1 78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13.5% и 5% соответственно, причем длины волн генерации стоксовых компонент совпадают с длинами волн генерации известных твердотельных лазеров на основе ионов эрбия в стекле (¡1=1.53 мкм) и лазерами на основе ионов туллия и гольмия (?.=1 9-2.1 мкм) и, в отличие от них, легко позволяет получать короткие импульсы генерации длительностью несколько десятков наносекунд.

Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (РЬОагЗд), активированного ионами диспрозия, и показано его преимущество по сравнению с уже известным кристаллом тиогаллата кальция для создания твердотельных лазеров среднего ИК диапазона Впервые получена генерация в области среднего ИК диапазона (4.33 мкм) с эффективностью 0 6% при накачке УАО:Ш3+ лазером, генерирующем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследована сенсибилизация инфракрасной люминесценции ионов Ег3+ и Но3+ ионами Сг4+ в кристалле ортосшшката иттрия (УгЗЮз). Экспериментальные исследования, проведенные при комнатной (300К) и низкой (77К) температуре показали, что перенос энергии от ионов Сг к ионам Но носит излучательный, а перенос энергии от ионов Сг4+ к ионам Ег3+ в кристалле УБО безызлучательный характер. Определено, что безызлучательный перенос имеет диполь-дипольный механизм, а величина микроэффективности взаимодействия Сол для него равна 4,5х] 0"39 см^/с. Квантовый выход процесса безызлучательного переноса энергии Сг4+-Ег3+ составил около 15%.

Обнаружены и исследованы процессы кооперативного переноса энергии от РЗ ионов доноров к кооперативным многочастичным акцепторам,

представляющим собой пары и тройки ионов церия, в кристаллах твердых растворов Ьа1.хСехРз. Особенностью электронной структуры ионов Се3+ является отсутствие каких либо электронных уровней и связанных с ними оптических переходов в широком диапазоне энергий и частот от 3500 до

30000 см"1. Единственным оптическим переходом в оболочке ионов Се3+

2 2 1 является переход ¥5/2- с частотами 1500-3000 см", соответствующий

среднему ИК диапазону. Из сравнения энергий абсорбционного перехода

иона церия и люминесцентных переходов ионов туллия, гольмия, эрбия,

тербия и неодима видно, что для четырехмикронного перехода 4Бз/2-4р9/2 иона

эрбия имеет место хороший резонанс с переходом иона церия,

необходимый для традиционного резонансного донор-акцепторного

безызлучательного переноса энергии Для переходов иона туллия

(1=1 8-1.9 мкм), 5Т7-51в иона гольмия (1=2.0-2.1 мкм), иона эрбия

(1=1.5-1.6 мкм), 5Бз-504 иона тербия (1=1.7-1.8 мкм) и иона

неодима (1=1 7-1.9 мкм) резонанс с поглощением иона церия отсутствует.

При этом может существовать хороший трех и более частичный резонанс для

взаимодействия и передачи энергии оптического возбуждения от одного иона

Ш3+, Тш3+,Но3+

или ТЬ3+ одновременно на пару ионов Се3+ (трехчастичный процесс) и от одного иона эрбия Ег3+ одновременно на три иона Се3* (четырехчастичный процесс) Исследование начальной стадии кинетики затухания люминесценции уровня 48зя ионов Ег3+ показало линейную зависимость скорости тушения от концентрации ионов церия (20-100%), характерную для традиционного двухчастичного процесса переноса энергии в системе донор-акцептор при больших концентрациях. Скорости тушения люминесценции для переходов 3р4-3Нб иона Тт3*, 5Ъ-518 иона Но3*, 5Бз-5Б4 иона ТЬ3+ и 4Рз/2-4115/2 иона Ш3* показали существенно нелинейную, близкую к квадратичной зависимость от концентрации ионов церия, что соответствует модели кооперативного безызлучательного переноса энергии от одного иона

донора одновременно на два иона Се , выступающих в роли кооперативного акцептора. Для перехода 41ш-4115/2 иона Ег3+ зависимость скорости тушения

люминесценции от концентрации ионов церия близка к кубической, что соответствует переносу энергии одновременно на три иона Се3+, выступающих в роли кооперативного акцептора. Полученные скорости процесса кооперативного переноса энергии для разных донорных ионов достигают 103-2х104 с"1 и, как было показано, зависят от величины элементов матричного оператора (н/.Г||и(0||\|/7')2 для переходов донорных ионов и величины интеграла перекрытия спектров люминесценции донорных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух и трех частичного акцепторов. Энергетическая эффективность процесса кооперативного тушения и сенсибилизации ионов церия для кристаллов СеРз составила от 50% до ~100%, при этом квантовый выход сенсибилизации оказывается больше ста процентов вследствие двух, трех- кратного размножения оптических возбуждений. Было проведено экспериментальное измерение скорости процесса кооперативного переноса от одного иона ТЬ3+ к двухчастичному кооперативному акцептору - паре ионов УЬ3* в кристаллах гранатов, допускающих стопроцентную замену оптически неактивных ионов У3+ на активные ионы ЧЪ" без искажения кристаллической решетки. Максимальная скорость кооперативного тушения в этом случае составила -140 с"1, что почти на два порядка выше полученной ранее в литературе оценки скорости обратного процесса - кооперативной ир-конверсии 2.4 с"1 и коррелирует со значительно более высоким числом кооперативных акцепторов. Используя процессы кооперативной и классической сенсибилизации ионов Се3* ионами Ет3+ при возбуждении ионов Ег3+ непрерывным лазерным диодом с длиной волны 810 нм был впервые записан спектр люминесценции ионов церия на переходе демонстрирующий перспективность применения данного

активатора для генерации в среднем (4-5 мкм) ИК диапазоне длин волн.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты диссертационной работы.

Апробация результатов.

Результаты, представленные в работе, защищены тремя патентами Российской Федерации, доложены на 12 международных и Российских конференциях. Результаты работы нашли отражение в следующих научных публикациях:

1. М.Е. Дорошенко, В.В. Осико, В.Б. Сигачев, МИ. Тимошечкин, Генерационные свойства кристалла гадолиний галлиевого граната с неодимом на переходе 4¥га-\ъп (?.=133 мкм), Квантовая электроника, т. 18, №3, стр. 298-300,1991.

2. М.Е. Дорошенко, В.В Осико, В.Б. Сигачев, М.И. Тимошечкин, Эффективный лазер на кристалле гадолиний-галлиевого граната с неодимом, Квантовая электроника, т.18, №7, стр. 799-802, 1991.

3. Osiko V.V., Sigachev V.B., Timoshechkin M.I.,Doroshenko M.E., Spectroscopic and laser properties of erbium, cerium and chromium doped gadolinium gallium garnet crystals. OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. (Opt. Soc. America, Washington, DC, USA) Vol.10, pp 235-237,1991.

4. М.Е. Дорошенко, M.A. Иванов, В.Б. Сигачев, М.И. Тимошечкин, Влияние ионов Се3+ на спектроскопические и генерационные свойства кристаллов УзАЬОц'.Се Ег и Gd3GasOi2'.Ce3+:Er3, Квантовая электроника, т.19, №7, стр.638-40,1992.

5. Doroshenko М.Е., Osiko V.V., Sigachev VB., Strelov V.I., Timoshechkin M.I. Large single crystals of neodymium and chromium co-doped gadolinium gallium garnet for efficient solid state lasers, Proc. SPIE, vol.1839, pp. 12-29, 1992.

6. M.E. Дорошенко, B.B. Осико, В Б. Сигачев, М.И. Тимошечкин, Генерационные свойства кристаллов гадолиний галлиевого граната с неодимом и хромом на переходе Известия АН СССР, Сер. Физ., т.56, №8, стр. 147-152,1992.

7. ME. Дорошенко, В.В. Осико, В.Б. Сигачев, М.И. Тимошечкин, Эффективная лазерная генерация лазерного излучения в области 1.4 мкм в

кристалле (Cr,Ce,Nd):Gd3Ga50i2, Квантовая электроника, т.20, №6, стр. 56973,1993.

8. Loutts G.B., Hirnak S., Basiev T Т., Doroshenko М.Е., Sigachev V.B., Simony Y., Deka С., Zhang X.X., Villaverde A.B., Bass M.A., Chai B.H.T., Growth and characterization of pure Cr; Cr,Er and Cr,Ho codoped Y2SÍO5, Proc. SPIE (USA), vol.1863, pp.70-73,1993.

9 Sigachev V В., Doroshenko M.E., Osiko V V, Timoshechkin M.I, Efficient laser operation of Cr,Nd:GGG crystals at 1.331 and 1.423 цш, Proc. SPIE (USA), vol.1863, pp.97-104,1993.

10. T.T. Basiev, V.B.Sigachev, M.E.Doroshenko, A.G.Papashvili, P.G. Zverev, V.V.Osiko, Passive Q-switching of 1.3 цш Nd-lasers with Nd.SrF2 and V3+;YAG crystalline saturable absorbers and application to Raman shifting to eye-safe region, Proc. SPIE (USA), v.2498, p.7,1995.

11. T.T. Basiev, V.B.Sigachev, M.E.Doroshenko, A.G.Papashvili, V.V. Osiko, Spectroscopic and laser properties of Nd3+ doped fluoride crystals in 1.3 M-rn region Proc. SPIE (USA), v.2498, p.14, 1995.

12. В.Б. Сигачев, M.E. Дорошенко, T.T. Басиев, Г.Б. Лутц, Б.Т. Чаи, Сенсибилизация люминесценции ионов Но и Ег ионами ОТ в кристалле Y2SÍO5, Квантовая электроника, т.22, №1, стр. 33-36, 1995.

13. T.T. Basiev, Yu. V. Orlovskii, К.К. Pukhov, V.B. Sigachev, M.E. Doroshenko I.N. Vorob'ev, Multiphonon relaxation rates measurements and theoretical calculations in the frame of non-linear and non-colomb model of a rare-earth ion-ligand interaction, J. Luminescence, v.68, no.5, pp.241-254,1996.

14. T.T. Басиев, M.E. Дорошенко и др., Производство монокристаллов фторида церия - перспективного материала для детекторов ионизирующего излучения, Атомная энергия, т. 82, вып. 4, стр. 301-308, 1997.

15. Т.Т. Басиев, М.Е. Дорошенко и др., Спектроскопия поглощения из возбужденного состояния в кристаллах SrF2:Nd3+ в диапазоне длин волн 1280-1320 мкм, Квантовая электроника, т.26, №2, стр. 117-121,1999.

16. Т.Т. Басиев, М.Е. Дорошенко, В.В. Осико, Кооперативная безызлучательная кросс-релаксация в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3, Письма в ЖЭТФ, т 71,вып.1,стр 14-19,2000.

17. Т Т Basiev, М Е. Doroshenko, V. V. Osiko, Cooperative Quenching Energy Transfer in Lai-xCexF3 crystal, QSA TOPS, v 34, pp. 485-489,2000

18. Т. T Basiev, M E Doroshenko, et al, Direct and cooperative sensitization of Ce3+ 4-5 jum laser transition, ASSL - 2001, Technical Digest, OSA, pp. 93-95, 2001.

19. TT Басиев, ME Дорошенко, В В Осико, A.M. Прохоров, Высокоэффективный кооперативный перенос энергии от ионов Но3+ и Тт3+ к ионам Се3+ в кристаллах, ЖЭТФ, т. 120, вып. 6, стр. 1362-1368,2001

20. Т.Т Basiev, l.T. Basieva, ME Doroshenko, V.V. Osiko, A.M. Prokhorov, К К Pukhov, Cooperative quenching' Experiment, Theory and Monte-Carlo Simulation, J. Luminescence, vol 94-95, pp. 349-354,2001,

21 T.T Basiev, Yu.V Orlovskii, A.G Papashvili, M.E. Doroshenko, F. Pelle, J Heber, Dynamic splitting of high-lying excited state of cluster centers in the Nd3+ doped crystals with fluorite structure, J. Luminescence, vol. 94-95, pp 123126, 2001.

22. T.T. Basiev, YuV. Orlovskii, B.I. Galagan, ME Doroshenko et al, Evaluation of Rare-Earth Doped Crystals and Glasses for 4-5 mm Lasing, Laser Physics, vol 12, No 2, pp 1-19,2002.

23. В.В. Осико, T.T. Басиев, Ю.В. Орловский, M.E. Дорошенко, В В Федоров, В В. Бадиков, В Панютин, S B.Mirov, К Graham, Импульсные Сг* .ZnSe и Сг* ■CdSe лазеры среднего ИК диапазона с накачкой неодимовыми лазерами с модуляцией добротности и сдвигом частоты излучения с помощью ВКР, Квантовая электроника, т. 34, № 1, стр. 8-14, 2004.

24. Т Т. Basiev, M.E Doroshenko, V V. Osiko, S.E Sverchkov, ВI Galagan, New mid IR (1 5-2 2 цт) Raman lasers based on barium tungstate and barium nitrate crystals, Laser Phys. Lett., vol. 2, No 5, pp. 237-238,2005.

25. Т Т. Basiev, М.Е. Doroshenko, V.V. Osiko, D.V. Badikov, Mid IR laser

oscillations in new low phonon PbGa2S4:Dy3+ crystal, OSA Topical Meetings,

ASSP-2005, February 6-9,2005, paper TuBlO.

Патенты

1. M.E. Дорошенко, B.B. Осико, В.Б. Сигачев, МИ. Тимошечкин, Твердотельный лазер, Авторское свидетельство № 1825257, 12 октября, 1992.

2. Т.Т. Басиев, М.Е. Дорошенко, В.Б. Сигачев, Безопасный для глаз твердотельный лазер, Патент Российской федерации № 2069030, 10 ноября, 1996.

3. Т.Т Басиев, М Е. Дорошенко, П.Г. Зверев, A.M. Прохоров, Твердотельный лазер желтого спектрального диапазона, Патент Российской федерации № 2000110183.28(010974), 25 апреля, 2000.

05-1 3898

РНБ Русский фонд

2006-4 10288

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Дорошенко, Максим Евгеньевич

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Разработка и исследование неодим содержащих сред для лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.3 мкм.

1.1 Спектрально-люминесцентные свойства редкоземельных ионов.

1.2 Влияние материала матрицы на длину волны люминесценции на переходе ионов неодима.

1.2.1 Спин-орбитальное взаимодействие.

1.2.2 Нефелауксетический сдвиг.

1.2.3 Штарковское расщепление.

1.3 Усилительные свойства неодима вблизи 1.3 мкм.

1.4 Объекты исследования.

1.4.1 Спектры поглощения и их анализ по теории Джадда-Офельта.

1.4.2 Фторидные кристаллы.

1.4.3 Оксидные кристаллы.

1.5 Люминесцентные свойства.

1.5.1 Люминесцентные свойства фторидных кристаллов.

1.5.2 Люминесцентные свойства оксидных кристаллов.

1.6 Времена жизни уровня ^3/2.

1.7 Спектры сечения люминесценции.

1.8 Максимально возможное усиление активных сред.

1.9 Спектры лазерной генерации фторидных кристаллов.

Основные результаты Главы 1.

Глава 2. Лазерные генераторы и усилители излучения ближнего

1.3-1.5 мкм) и среднего (2-5 мкм) ИК диапазона.

2.1 Генерация излучения на переходе ^3n-\yi в кристаллах гадолиний галлиевого граната с неодимом.

2.1.1 Определение пикового сечения межштарковского перехода в кристалле GGG:Nd на основе измеренных спектров люминесценции.

2.1.2 Определение величины эффективного сечения лазерного перехода на основе лазерных экспериментов.

2.1.3' Лазерная генерация кристаллов GGG:Nd3+ и GGG:Nd3+,Cr3+ на переходе ^з/г-^п/г (Х=1.33 мкм).

2.1.4 Получение длинноволнового излучения вблизи 1.4 мкм на переходе ^зя-^зя ионов неодима.

2.1.5 Люминесцентные свойства и спектр сечения люминесценции кристалла GGG:Nd3+ на переходе ^зя-^зя вблизи длины волны 1.4 мкм.

2.1.6 Генерационные свойства кристалла GGG:Nd3+,Cr3+ на длине волны 1.42 мкм.

2.2 Получение заданной длины волны излучения твердотельного лазера в области 1.3 мкм для накачки HF молекулярного газа.:.

2.2.1 Разработка и исследование узкополосного лазера, генерирующего на длине волны 1330.67 нм, для накачки HF молекулярного лазера.

2.2.2 Исследование регенеративного усилителя на длине волны

1.3 мкм на основе кристалла GGG:Nd3+.

2.2.2.1 Численное моделирование однопроходового усиления в активных средах при ламповой накачке.

2.2.2.2 Многопроходовые усилители на длине волны 1.3 мкм.

2.3 Преобразование излучения неодимовых лазеров с длиной волны 1 .Змкм в безопасный для глаз диапазон длин волн 1.5 мкм с помощью ВКР.

2.3.1 Внутрирезонаторное и внерезонаторное ВКР преобразование излучения 1.3—>1.5 мкм в кристалле BaCNCbb при пассивной модуляции добротности лазера накачки кристаллами SrF2:Nd + и YAG:V3+.

2.3.2 ВКР преобразование излучения 1.3-»1.5—>1.8—>2.1 мкм в новом Рамановском кристалле BaWC>4 при накачке YAG:Nd лазером с акусто-оптической модуляцией добротности.

2.4 Генерация ионов диспрозия (Dy3+) в новом кристалле тиогаллата свинца (PbGa2S4) с коротким фононным спектром при накачке YAG:Nd3+ лазером, работающем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации.

Основные результаты Главы 2.

Глава 3. Использование традиционного и кооперативного механизмов переноса энергии для создания эффективных лазеров среднего ИК диапазона.

3.1. Безызлучательный перенос энергии в системе донор-акцептор.

3.2. Сенсибилизация люминесценции ионов эрбия и гольмия ионами четырехвалентного хрома в кристалле ортосиликата иттрия (Y2Si05).

3.3 Определение механизмов передачи энергии от ионов Сг4+ к ионам и Но в кристалле YjSiOj и эффективности переноса.

3.4. Исследование кооперативного переноса энергии, сенсибилизации и размножения оптических возбуждений в кристаллах фторидов для создания лазеров среднего ИК диапазона.:.

3.5 Традиционный донор-акцепторный перенос энергии от ионов эрбия к ионам церия в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3.

3.6 Кооперативное тушение люминесценции ионов неодима и эрбия в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3.

3.7 Кооперативное тушение люминесценции ионов туллия, гольмия и тербия в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3.

3.8 Интегралы перекрытия спектров люминесценции редкоземельных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух- и трехчастичных акцепторов - ионов Се3+.

3.9 Кооперативное тушение люминесценции ионов тербия в кристаллах иттриевого и итербиевого гранатов.

3.10 Исследование последовательной и кооперативной сенсибилизации верхнего уровня иона церия в системе с размножением возбуждений для создания лазеров среднего ИК диапазона.

Основные результаты Главы 3.

Введение диссертация по физике, на тему "Активные среды спектрально позиционированных лазеров ИК диапазона"

В течение достаточно долгого времени основным приложением лазерных систем было взаимодействие лазерного излучения с веществом, включающее в себя лазерную резку и сварку, лазерную хирургию и др., для которых основными параметрами лазерного излучения были выходная мощность, КПД, расходимость излучения. При этом спектральные характеристики излучения (точная длина волны генерации, ширина спектра и т.д.) были достаточно второстепенны, поскольку не играли решающей роли. Однако, за последнее время возник целый ряд областей применения, для которых спектральные характеристики излучения вышли на первый план. Среди них можно- отметить телекоммуникацию, для которой существенную роль играют так называемые «окна прозрачности» сред, в которых распространяется излучение; лазерная диагностика содержания примесей, где необходимо точное совпадение частоты излучения лазера с узкой спектральной линией поглощения детектируемого вещества, спектроскопия материалов с высоким разрешением, медицина и т.д. Одним из способов решения этих задач является использование лазеров на основе редкоземельных (РЗ) ионов в твердых телах как наиболее распространенных и высокоэффективных лазеров, имеющихся на сегодняшний день.

Поскольку спектроскопические свойства редкоземельных ионов зависят от типа кристаллической матрицы, представляется важным определить влияние таких параметров как тип аниона окружения, силы кристаллического поля, симметрии оптических центров на оптические свойства и частоту лазерных переходов. Необходимо отметить, что оценка влияния отдельных параметров на длину волны лазерного излучения в некоторых работах уже предпринималась [например 1,2], однако систематического анализа не проводилось. Поэтому разработка методики выбора кристаллических матриц, активированных РЗ ионами, позволяющей на основе спектроскопических исследований предложить материал, обеспечивающий создание лазерных сред с определенными спектроскопическими свойствами представляется одной из актуальных задач современной науки.

В последнее время возникла потребность продвижения из ближнего инфракрасного (ИК) диапазона в средний ИК диапазон. В связи с этим особый интерес могут представлять процессы деления или размножения возбуждений, идущие с уменьшением энергии, но ростом их числа. Поэтому актуальной задачей представляется исследование кооперативного процесса безызлучательного переноса энергии от одного иона донора с большей энергией одновременно на два, три иона акцептора, с меньшей энергией (down-конверсия), а также определение параметров, оказывающих влияние на эффективность такого процесса.

Цель работы.

Целью работы являлось: систематическое исследование и анализ влияния параметров кристаллической матрицы на длину волны лазерного излучения неодимовых лазеров, что позволяет на основе спектроскопических исследований выбрать материал для создания лазеров, имеющих заданные спектроскопические свойства; определение критериев отбора и выбор кристаллических сред, активированных ионами неодима, для создания эффективных генераторов и усилителей в спектральном диапазоне 1.28-1.32 мкм; поиск и исследование различных преобразователей и конвертеров лазерного излучения для получения новых длин волн генерации в ближнем и среднем ИК диапазонах; исследование процессов кооперативного безызлучательного переноса энергии от различных редкоземельных ионов одновременно к двум (трем) ионам церия, выступающим в роли кооперативного акцептора, что приводит к уменьшению энергии конечных возбуждений при росте их числа, для создания новых эффективных лазеров среднего ИК диапазона.

В диссертации решены следующие основные научные задачи:

3. Обнаружен и исследован процесс кооперативного безызлучательного переноса энергии (down-конверсии) от одного иона донора на двухчастичные и трехчастичные кооперативные акцепторы в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3 с примесями редкоземельных ионов.

Научная новизна результатов.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе являются новыми и представляют собой либо логическое развитие уже известных научных результатов, либо получены впервые.

В диссертационной работе:

Разработан спектроскопический метод поиска и исследования неодимсодержащих кристаллов для 'лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм, заключающийся в определении nov спектрам поглощения ионов неодима в кристаллической, матрице отношения сил линий на усиливающем переходе и переходе 4F3/2-4G7/2, связанном с поглощением из возбужденного состояния. Показано, что отношение указанных сил линий может служить спектроскопическим критерием применимости неодимсодержащих кристаллических активных лазерных сред для создания лазеров и оптических усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм и характеризует возможность получения коротковолнового усиления и генерации.

Сформулированы требования к материалу активной среды для получения коротковолновой люминесценции, усиления и генерации в области 1,3+0.02 мкм, заключающиеся в высокой степени ионности связи редкоземельный ион-лиганд, приводящей к уменьшению т.н. нефелауксетического сдвига и сдвигу оптических частот переходов в коротковолновую область; наличию сильного внутрикристаллического поля, приводящему к значительному Штарковскому расщеплению уровней; высоким значениям высокосимметричных параметров кристаллического поля (В4, Вб) и малой величине низкосимметричного возмущения (В2).

Предсказано и установлено наличие наиболее коротковолновой люминесценции (А,=1.298-1.301 мкм) и наибольшего значения сечения усиление в области 1,3 мкм (а~5-6x10'21 см2) в кристаллах простых фторидов Са и Sr с ярко выраженной ионной связью и преобладанием высокосимметричных тетрагональных оптических центров иона неодима. Высокие усилительные свойства исследованных фторидных кристаллов подтверждены лазерными экспериментами по генерации в коротковолновой области спектра кристалла SrF2:NdF3 (А,=1.298-1.32 мкм), которая также представляет интерес для оптической накачки лазера на кристалле тиогаллата свинца, активированного ионами диспрозия (PbGa2S4:Dy3+), генерирующего в среднем ИК (4.33 мкм) диапазоне.

Показано, что использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната, активированных ионами неодима и соактивированных ионами трехвалентного хрома (GGG:Nd3+,Cr3+) позволяет создавать эффективные лазеры с ламповой накачкой с длиной волны генерации 1.33 мкм и 1.42 мкм с эффективностью 2.2% и 1.2% соответственно.

Показано, что использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната, активированного ионами неодима, (GGG:Nd3+) позволяет получить наиболее близкие значения длин волн генерации для прямого оптического возбуждения линии поглощения R(4) второго обертона HF(2-0) молекулярного газа и продемонстрирована возможность создания узкополосного (ширина линии генерации -0.02 см*1) генератора с температурной и резонаторной плавной перестройкой, длины волны в диапазоне 1,3307-1,3315 мкм выходного излучения для наиболее полного совпадения с линией поглощения молекулярного газа.

Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования усилителей для лазеров, работающих на длине волны 1.3 мкм и показано, что для однопроходовых усилителей с размерами активного элемента 5x60 мм коэффициент усиления составляет порядка 1.7. Предложена схема кольцевого регенеративного усилителя на длине волны 1.3 мкм, обеспечивающего в аналогичном активном элементе коэффициент усиления порядка 4.7.

При накачке наносекундным излучением 1.3 мкм неодимового лазера получена эффективная генерация ВКР лазера на основе нового кристалла вольфрамата бария в среднем ИК диапазоне с длинами волн 1.53 мкм (первая стоксова компонента), 1.78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13.5% и 5% соответственно.

Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (PbGa2S4), активированного ионами диспрозия, и впервые получена генерация в области среднего ИК диапазона (4.33 мкм) с эффективностью до 1% при накачке YAG:Nd3+ лазером, генерирующем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации.

Обнаружен и исследован процесс высокоэффективного кооперативного переноса энергии, down-конверсии и размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Lai. xCexF3, активированных РЗ ионами Nd3+, Er3"1", Tm3+, Но3+, Tb3+, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии (down-конверсии) по сравнению с известным процессом кооперативной ир-конверсии. Впервые получены кинетики кооперативного тушения различных РЗ ионов и нелинейные зависимости скорости кооперативного тушения от концентрации акцепторных ионов. Показана корреляция скорости кооперативного тушения в системе РЗ ион -2Се3+ с величиной элементов матричного оператора (v|/J||U^)||\|/'J')2 оптического перехода в ионе донора, который варьируется различных РЗ ионах на два порядка величины. Определено влияние на скорость кооперативного тушения величины интеграла перекрытия спектров люминесценции донорных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух и трех частичного акцепторов - ионов церия. Для донорных ионов туллия (Тш3+), гольмия (Но3+), имеющих наиболее высокие значения элементов матричного оператора (\|/1||и(1)||н/Т)2 , получены скорости кооперативной релаксации порядка 104 с'1, значительно превосходящие скорости излучательной релаксации (порядка 103 с'1) соответствующих уровней.

Предложена схема последовательной и кооперативной сенсибилизации ионов Се3+ ионами Dy3+, Er3^, Tm3+, Но3+ с квантовым выходом 200-300% за счет размножения возбуждений. Измерены спектры ИК люминесценции и времена жизни метастабильного ^7/2 уровня ионов Се3+, демонстрирующие перспективность данного активатора для создания лазеров среднего ИК диапазона (4-5 мкм).

Практическая значимость работы

Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований могут быть использованы для создания лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм для телекоммуникационных приложений; оптической накачки кристаллов и молекулярных газов.

Новые источники лазерного излучения - ВКР-генераторы, кристаллические и газовые лазерные конверторы с новыми линиями генерации в слабо освоенных диапазонах длин волн 1.5-2.2 мкм, 3.5-5.5 мкм могут найти многообразные применения в экологии, медицине, оптической локации и связи.

Предложенные новые схемы кооперативной сенсибилизации и down-конверсии могут найти применение при создании лазеров среднего ИК диапазона (4-5 мкм).

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

Выводы к Главе 3:

1. Обнаружена сенсибилизация инфракрасной люминесценции ионов Ег3+ и Но ионами Сг4+ в кристалле ортосиликата иттрия.

2. Установлен излучательный характер переноса энергии от ионов Сг4+ к ионам Но и безызлучательный характер переноса энергии от ионов Сг4+ к ионам Ег3+ в кристалле Y2Si05.

3. Определено что механизм переноса энергии от ионов Сг4+ к ионам Ег3+ в кристалле Y2Si05HOCHT диполь-дипольный характер, определены микроэффективность взаимодействия (Cda= 4.5x10"39 см6/с) и квантовый выход процесса безызлучательного переноса энергии Сг4+-Ег3+ в кристалле Y2SiOj. При концентрациях ионов Сг4+ и Ег3+ соответственно 2.4хЮ20 см"3 и 0.9х1019 см*3 квантовый выход переноса энергии составил около 15%.

4. Обнаружен и исследован процесс кооперативного переноса энергии или размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Lai.xCexF3, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии по сравнению с известным процессом кооперативной ир-конверсии.

5. Обнаружена нелинейная квадратичная концентрационная зависимость кооперативного тушения и down-конверсии возбуждения ионов Nd3+, Но3+, Tm3+, ТЬ3+ в кристаллах лантан-цериевых твердых растворов.

6. Исследована зависимость скорости кооперативного тушения от величины матричных элементов донорных переходов и интегралов перекрытия спектров люминесценции донорных ионов с виртуальными спектрами поглощения двух- и трехчастичных акцепторов ионами церия и получены скорости кооперативного переноса энергии порядка 103-104 с"1.

- 1607. Предложена схема последовательной и кооперативной сенсибилизации ионов Се3+ ионами Dy3+, Ег3н Тт3+, Но3+ с квантовым выходом свыше 300%.

8. Впервые прямым методом измерена скорость кооперативного тушащего переноса энергии (102 с'1) от ионов ТЬ3+ к ионам Yb3+ в кристаллах итгриевого и итгербиевого гранатов.

9. Получена люминесценция ионов церия в области среднего ИК диапазона с максимумом на 4.7 мкм при последовательной и кооперативной сенсибилизации верхнего уровня и измерено время жизни верхнего ^т уровня иона церия.

Заключение

В заключении приведем основные результаты, полученные в ходе работы над дисертацией:

1. На основе проведенного анализа и экспериментальных исследований определены спектроскопические методы поиска и разработки неодимсодержащих кристаллов для лазеров и усилителей диапазона 1.28-1.32 мкм. Сформулированы требования к материалу активной среды для получения коротковолновой люминесценции, усиления и генерации (высокая степень ионности связи редкоземельный ион-лиганд; значительная величина высокосимметричных параметров кристаллического поля). Определены лазерные среды (SrF2:NdF3, CaF2:NdF3, CdF2.NdF3, твердые растворы CaF2:SrF2:NdF3, SrF2:LaF3'.NdF3), обладающие наиболее коротковолновыми лазерными переходами (1.29-1.33 мкм) с минимальным значением потерь из возбужденного состояния и максимальным сечением генерационного перехода (о=4-5х10" см ).

3. Оптимизированы параметры кристаллических лазеров и усилителей на кристаллах гадолиний галлиевого граната с неодимом и созданы эффективные спектрально позиционированные источники лазерного излучения в диапазонах 1.3 мкм (для накачки молекулярных газов), 1.4 мкм (для медицинских приложений), 1.5 мкм (для безопасных для глаз лидаров).

4. Получена эффективная генерация ВКР лазера на основе кристалла вольфрамата бария в среднем ИК диапазоне с длинами волн 1.53 мкм (первая стоксова компонента), 1.78 мкм (вторая стоксова компонента) и 2.13 мкм (третья стоксова компонента) с эффективностью 13.5%; 13.5% и 5% соответственно.

5. Исследованы спектрально-люминесцентные свойства нового кристалла тиогаллата свинца (PbGa2S4), активированного ионами диспрозия, и впервые получена генерация в области среднего ИК диапазона (4.33 мкм) с эффективностью до 1% при накачке YAG:Nd3+ лазером, генерирующем на длине волны 1.318 мкм в режиме свободной генерации.

Обнаружен и исследован процесс кооперативного переноса энергии, down-конверсии и размножения возбуждений в кристаллах твердых растворов Lai-xCexF3 с примесью ионов Nd3+, Tb3+, Но3+, Er3"1", Tm3+, имеющий существенно более высокие (на несколько порядков) скорости кооперативного переноса энергии (102-104 с"1) по сравнению с известным процессом кооперативной ир-конверсии, и определено влияние величины элементов матричного оператора (\|Я||и«||у';Г)2 (где 1Я - элементы приведенного матричного оператора ранга t) донорных переходов и интегралов перекрытия спектров люминесценции доноров с виртуальными спектрами поглощения двух и трехчастичного акцепторов - ионов церия на эффективность процесса кооперативного переноса энергии, которая варьировалась от 9 до 97%.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дорошенко, Максим Евгеньевич, Москва

1. Е. De la Rosa-Cruz, G.A. Kumar, L.A. Diaz-Torres, A. Martinez, O. Barbosa-Garcia, Optical Materials, vol. 18, pp 321-329, 2001.

2. M B. Saisudha, J. Ramakrishna, Optical Materials, vol. 18, pp. 403-417, 2002.

3. A. A. Kaminskii, Laser crystals, Springer-Verlag, New-York, vol. 14, 1981.

4. Y. Myajima, T. Komukai, T. Sugawa, Electron. Lett., vol.26, pp. 194-195, 1990.

5. M.L. Dakss, W.J. Miniscalo, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 2, pp. 650-652, 1990.

6. L.J.F. Broer, С J. Gorter, J. Hoogschagen, Physica 11, 231, 1945.

7. B.R. Judd, Phys. Rev., vol. 127, No 3, pp. 750-761, 1962.

8. G.S. Ofelt, J. Chem. Phys., vol. 37, No 3, pp. 511-520, 1962.

9. R.R. Jacobs, M.J. Weber, IEEE Journ. of Quant. Electron., vol. QE-12, No 2, pp. 102-111, 1976.

10. W.T. Carnall, P.R. Fields, B.G. Wybourne, Journ. Chem. Phys., vol. 42, No 11, pp. 37973806, 1965.

11. W.T. Carnall, P.R. Fields, K. Rajnak, Journ. Chem. Phys., vol. 49, No 10, pp. 4424-4442, 1968

12. Е.Ф. Кустов, Г А. Бондюркин, АН. Муравьев, В.П. Орловский, Москва, Наука, 1981.

13. Ю.К. Воронько, А.А. Каминский, В.В. Осико, ЖЭТФ, т. 49, вып. 2(8), стр. 420-428, 1965.

14. К. Stevens, Proc. Phys. Soc., vol. A65, p. 209,1932.

15. A.K. Пржевуский, Спектроскопия кристаллов, Москва, Наука, стр. 82-95, 1983.

16. R.R. Jacobs, M.J. Weber, IEEE Journ. Quant. Electr., vol. QE-12, N2, pp. 102-111, 1976.

17. W. Demtroder, Laser Spectroscopy, Springer-Verlag, 1982.

18. Krupke W.F., IEEE Journ. Quant. Electr., Vol.QE-10, p. 450-457, 1974.

19. А.А. Каминский, Б.М. Антипенко, Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров, Москва, Наука, 1989.

20. W.F. Krupke, M.D. Shinn, Т.Е. Marion, Т.А. Ceird, S.E. Stokovski, J. Opt. Soc. Amer., vol. 3, p. 102, 1986.

21. C.X. Батыгов, В.В. Осико, ФТТ, т. 13, вып. 8, стр. 2247-2251, 1971.

22. С.Х. Батыгов, Ю.К. Воронько, Л.С. Гайгерова, B.C. Федоров, Оптика и спектроскопия, т. XXXV, вып. 5, стр. 868-875, 1973.

23. V.V. Osiko, Yu.K. Voron'ko, A. A. Sobol, Spectroscopic Investigations of Defect Structures and Structural Transformations in Ionic Crystals, Springer-Verlag, Berlin, pp. 38-86, 1984.

24. J. Corish, C.R.A. Catlow, P.W.M. Jacobs, S.H. Ong, Phys. Rev. B, vol. 25, No 10, pp. 64256438, 1982.

25. C.G. Andeen, J.J. Fontanella, M.C. Wintersgill, P.J. Welcher, R.J. Kimble, Jr., G.E. Matthews Jr., J. Phys. C, vol. 14, pp. 3557-3575, 1981.

26. A. Tesar, J. Campbell, M. Weber, C. Weinzapfel, Y. Lin, H. Toranti, Optical Materials, vol. 1, pp. 217-234, 1992.

27. S. Sighn, R.G. Smith, L.G. Van Uitert, Phys. Rev. В., vol. 10, p. 2566, 1974.

28. E.M. Дианов, Квантовая электрон., т. 7, стр. 453, 1980.

29. S.R. Bowman, B.J. Feldman, J.M. McMahon, Digest of Topical Meeting on Tunable Solid State Lasers, OSA, p. 152, 1989.

30. N.P. Barnes, D.J. Gettemy, L. Esterowitz, R.E. Allen, IEEE J. Quant. Electron., vol. 23, p. 1434, 1988.

31. H.Y. Shen, R.R. Zeng, Y.P. Zhou, G.H. Yu et al., Appl. Phys. Lett., vol. 56, p. 1937, 1990.

32. M.I. Timoshechkin, V.B. Sigachev, V.I. Strelov, Digest of Topical Meeting on Tunable Solid State Lasers, OSA, p. 93, 1990.

33. M.E. Doroshenko, V.V. Osiko, V.B. Sigachev, V.I. Strelov, M.I. Timoshechkin, Proc. SPIE, vol. 1839, p. 12, 1992.

34. W. Koechner, Solid State Laser Engeneering, N.Y. Springer-Verlag, 1976.

35. A.A. Kaminskii, V.V. Osiko, S.E. Sarkisov, M.I. Timoshechkin, E.V. Zharikov, J. Bohm, P. Reiche, D. Shultze, Phys. Stat. Sol. vol. 49, p. 305, 1978.

36. В В. Осико, A.M. Прохоров, В.Б. Сигачев, М.И. Тимошечкин, ДАН СССР, т. 307, стр. 105, 1989.

37. S.K. Wong, P. Mathieu, P. Расе, Appl. Phys. Lett., vol. 57, p. 650, 1990.

38. C.R. Jones, Laser Focus, vol. 14, pp. 68-74, 1978.

39. H.C. Miller, D.T. Radzykewycz, G. Hager, IEEE J. Quant. Electron., vol. 30, p. 2395, 1994.

40. J.P. Markiewicz, J.L. Emmett, Joum. Quant. Electr., vol. QE-2, N 11, pp. 707-711, 1966.

41. P. Laporta, V. Magni, O. Zvelto, Journ. Quant. Electr., vol. QE-21, No 8, pp. 1211-1218, 1985.

42. J.I. Emmet, A.L. Schawlow, E.H. Weinberg, J. Appl. Phys., vol. 25, pp. 2601-2604, 1964.

43. G.J. Linford, R.A. Saroyan, J.B. Trenholme, M.J. Weber, Journ. Quant. Electr., Vol. QE-15, No 6, pp. 510-523, 1979.

44. D C. Brown, S.D. Jacobs, N. Nee, Appl. Opt., vol. 17, pp. 211-224, 1978.

45. Y.-R. Shen, Light Scattering in Solids, Springer-Verlag, p. 275, 1983.46. . A. Penzkofer, A. Laubereau, W. Kaizer, Prog. Quant. Electr., vol. 6, pp. 55-140, 1979.

46. Т. Т. Басиев, А. А. Соболь, П. Г. Зверев, Л. И. Ивлева, В. В. Осико, Патент РФ 2178938 С1 от 25.04.2000.- 18848. М.С. Nostrand, R.H. Page, S.A. Payne, W.F. Krupke, P.G. Shunemann, CLE0%9% Novel Solid-State Laser Materials, paper CThJl, 1999.

47. M.C. Nostrand, R.H. Page, S.A. Payne, W.F. Krupke, P.G. Shunemann, Optics Letters, vol. 24, No 17, pp. 1215-1217, 1999

48. O.K. Алимов, M.X. Ашуров, T.T. Басиев, E.O. Кирпиченкова, В.В. Муравьев, Труды ИОФАН, т. 9, стр. 50, 1987.

49. Торопов Н А., Бондарь И.А., Смолин Ю.И., Силикаты редкоземельных элементов и их аналоги, Ленинград, Наука, 1971.

50. Данилов А.А., Зубенко ДА., Калитин С.П. и др., Труды ИОФАН, т. 26, стр. 5, 1990.

51. Chai В.Н.Т., Shimony Y., Deka С., Zhang X.X., Munin E., Bass M, OSA Proc. On Advanced Solid State Lasers, vol. 13, p. 28, 1992.

52. D.L. Dexter, J. Chem. Phys., vol. 21, p. 836, 1953.

53. В.П. Сакун, ФТТ, т. 14, N 8, стр. 2199, 1972.

54. P.P. Feofilov, V.V. Ovsyankin, Appl. Optics, vol. 6, P. 1828, 1967.

55. Л.Д. Ливанова, И.Г. Сайткулов, А.Л. Столов, ФТТ, т. 11, стр. 750, 1969.

56. F.W. Ostermayer, L.G. VanUitert, Phys. Rev., vol. Bl, p. 4208, 1970.

57. T.T. Басиев, Ю.В. Орловский, ЖЭТФ, т. 96, стр. 1965, 1989.60. .T.T. Basiev, I.T. Basieva, M.E. Doroshenko, V.V. Osiko, A.M. Prokhorov, K.K. Pukhov, Journ. of Lumin., vol. 94/95, pp. 349-354, 2001.

58. T. Kushida, J. Phys. Soc. Japan, vol. 34, p. 1318, 1973.

59. T. Kushida, J. Phys. Soc. Japan, vol. 34, p. 1327 1973.

60. T. Kushida, J. Phys. Soc. Japan, vol. 34, p. 1334, 1973.

61. М.Д. Галанин, B.M. Агранович, Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах, Москва, Наука, стр. 383, 1978.

62. В В. Брюквин, А.В. Лукин, Э.Э. Пензина, Л.М. Соболев, Оптика и спектроскопия, т. 67, вып. 3, 1989.

63. A. Penzkofer, Appl. Phys. В, vol. 46, pp. 43-60, 1988.

64. T.T. Basiev, S.B. Mirov, S.A. Sychev, Solid State Lasers and New Materials, Proc. SPIE, vol. 1839, pp. 182-197, 1992.

65. W. Rudolph, H. Weber, Optics Commun., vol. 34, No 3, 1980.

66. H.T. Powell, G.J. Wolga, ШЕЕ J. Quantum Electron., vol. QE-7, No 6, pp. 213-219, 1971.

67. X. Zhang, S. Zhao, Q. Wang, Y. Liu, J. Wang, IEEE J. Quantum Electron., vol. 30, No 4, pp. 905-908, 1994.

68. J.J. Degnan, ШЕЕ Journ. Quant. Electron., vol. 31, No 11, pp. 1890-1901, 1995.

69. R. Wilbrandt, H. Weber, IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-11, No 5, pp. 186-190, 1975.- 18973. A. Caruso, R. Gratton, W. Seka, ШЕЕ, J. Quantum Electron., vol. QE-9, pp. 1039-1043, 1973.

70. L.E. Erickson, A. Szabo, J. Appl. Phys., vol.37, pp. 4953-4961,1966.

71. J.A. Fleck Jr., Phys. Rev. В., vol. 1, pp. 84-100, 1970.76. .T.T. Басиев, Ю.К. Воронько, С.Б. Миров, В.В. Осико, A.M. Прохоров, Квантовая электроника, т.9, N 4, стр. 837-838, 1982.