Динамика и параметры генерации твердотельных лазеров на ионах хрома и неодима тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Сибирская государственная геодезическая академия

РГ6 ОД

f fia правах рукописи

ИВАНОВ Евгений Васильевич /

ДИНАМИКА И ПАРАМЕТРЫ ГЕНЕРАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

НА ИОНАХ ХРОМА И НЕОДИМА

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Международном институте нелинейных исследований СО РАН.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

— член-корреспондент АН ВШ, доктор физико-математических наук профессор.

— доктор физико-математических наук

Анциферов Виталий Васильевич

Смирнов Геннадий Иванович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Комаров

Константин Петрович Телегин

Геннадий Гаврилович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Защита диссертации состоится

— доктор физико-математических наук (Институт автоматики и электрометрии СО РАН),

— доктор физико-математических наук (Чувашский государственный университет).

— Институт физики полупроводников СО РАН.

1997 г

и. ¡¿..2 п

часов на заседании диссертационного совета Д.064.14.0*

при Сибирской государственной геодезической академии.

Адрес: 630108, г. Новосибирск,

ул. Плахотного, 10. • ^^О

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской государственной геодезической академии.

Автореферат разослан

« 29 " О/С^ <л

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техн. наук

/

О.П. Верхотуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется неослабевающим вниманием исследователей к физике твердотельных лазеров и обусловлена постоянно расширяющимся спектром их применений, необходимостью модификации существующих и реализации новых режимов генерации, развития методов управления параметрами выходного излучения. В твердотельных лазерах высокие энергетические параметры генерации сочетаются с относительной широкополосностью, надежностью, компактностью и долговечностью лазерных систем данного типа, а также с их способностью работать в самых различных режимах - от режима ультракоротких импульсов фемтосекундной длительности до режима квазинепрерывной генерации большой мощности.

Свободная генерация продольных мод лазеров на ионах хрома в рубине, александрите, изумруде, гадолиний- скандий- галлиевом гранате и других средах с плоскими зеркалами всегда происходит в режиме незатухающих пульсаций интенсивности излучения. В случае принудительного сглаживания продольной неоднородности поля в рубине с помощью компенсируемой фазовой модуляции генерация продольных мод в лазере на рубине осуществляется в устойчивом квазистационарном режиме. Смена мод в процессе генерации в условиях однородного поля в активной среде, обусловленная тепловым дрейфом линии усиления, происходит адиабатически и не сопровождается пульсациями интенсивности излучения.

В лазерах на ионах неодима в различных средах свободная генерация продольных мод происходит в квазистационарном режиме, причем это достигается в обычных условиях без принудительного сглаживания продольной неоднородности поля в активной среде, но при устранении влияния технических возмущений резонатора. В кристаллах, обладающих высокой однородностью и теплопроводностью, таких, как иттрий - алюминиевый гранат, бериллат лантана, калий - гадолиниевый вольфрамат и ряд других, при тех же экспериментальных условиях еще более просто достигается устойчивая квазистационарная генерация поперечных мод, но только при небольших значениях поперечных индексов.

Такое качественное различие в динамике свободной генерации этих лазеров обусловлено существенным различием в структуре их рабочих уровней и, соответсвенно, характеристик нелинейного самовоздействия генерации. Оно свидетельствует о наличии определенного физического механизма, приводящего к возникновению незатухающих пульсаций излучения в лазерах на ионах хрома.

Проведение детальных исследований динамики свободной генерации на большом количестве твердотельных сред с различными ионами активатора на одной экспериментальной установке при устранении технических возмущений резонатора позволило бы получить корректное сравнение генерационных характеристик разных ионов активатора и экспериментально выяснить физический механизм, ответственный за возникновение незатухающих пульсаций излучения. Одновременно такие исследования дают возможность получить в одинаковых экспериментальных условиях надежные данные о спектрально - временных и энергетических параметрах различных активных сред. Анализ нелинейной динамики импульсных лазерных систем и устойчивости генерационных режимов позволяет решить проблему воспроизводимости параметров выходного излучения и управления ими, описать различные особенности самовоздействия излучения в нелинейных оптических системах.

Цель приведения работы заключалась: в исследовании динамики свободной генерации твердотельных лазеров на различных средах и получении в них устойчивого квазистационарного режима генерации с управляемыми спектрально-временными характеристиками излучения; выявлении физического механизма, вызывающего незатухающие пульсации интенсивности излучения в лазерах на ионах хрома; создании мощных одпочастотных перестраиваемых лазеров для резонансного воздействия па атомные и молекулярные системы.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Экспериментально обоснован физический механизм возникновения незатухающих пульсаций излучения в лазерах на ионах, имеющих внешнюю электронную рабочую оболочку.

2. Впервые получена одночастотная квазистационарная генерация лазеров на ионах неодима в бериллате лантана, гадолиний-скандий- галллиевом гранате с хромом, калий-гадолиниевом вольфрамате, перестраиваемая по длине волны излучения в диапазоне 1050-1080 им.

3. Впервые получена одночастотная генерация гигантских импульсов в лазерах на ионах неодима в кристаллах бериллата лантана, иттрий-алюминиевого граната, гадолиний-скандий-галлиевого граната с хромом, гексаалюмината лантана-магния с перестройкой длины волны излучения.

4. Впервые измерена с высокой точностью скорость теплового дрейфа линии усиления ионов неодима в кристаллах бериллата лантана, гадолиний-скандий-галлиевого граната с хромом, калий-гадолиниевого вольфрамата.

Практическая значимость работы.

Разработанные одночастотные перестраиваемые лазеры на ионах неодима в различных средах в режимах свободной генерации

и гигантского импульса находят широкое применение в лазерной и атомной спектроскопии, фотохимии, экологии и целом ряде других областей.

, Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Экспериментальное обоснование и исследование физического механизма, вызывающего незатухающие пульсации излучения в твердотельных лазерах на ионах с внешней рабочей оболочкой.

2. Исследование спектрально-временных и энергетических характеристик свободной генерации лазеров на ионах хрома в александрите, редкоземельно-галлиевых гранатах и на ионах неодима в бериллате лантана, гексаалюминате лантана-магния, гадолиний- скандий-галлиевом гранате с хромом, иттрий - алюминиевом гранате, концентрированном фосфатном стекле, калий-иттриевом и калий- гадолиниевом вольфрама-тах.

3. Исследование спектральных и энергетических характеристик излучения гигантских импульсов в лазерах на ионах неодима в кристаллах иттрий-алюминиевого граната, гадолиний-скандий - галлиевого граната с ионами хрома, бериллата лантана и гексаалюмината лантана-магния.

Личный вклад автора. Содержание и результаты диссертации основаны на опубликованных работах, в которых автор принимал непосредственное участие: в создании экспериментальных установок, в проведении экспериментов, обработке полученных результатов и написании статей.

Аппробация работы.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию были опубликованы в статьях и доложены на ежегодных "Семинарах по перестраиваемым лазерам и их применению в метрологии": 3-м (Сухуми, 1989 г.), 4-м (Киев, 1990г.), 5-м (Ленинград,1991 г.), XI Между-

народной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1997г.), научных семинарах Международного института нелинейных исследований РАН, Института физики полупроводников СО РАН, Сухумского физико-технического института.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем дис-серьации составляет 160 стр., включая 87 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 первого параграфа сделан краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, в которых рассматривались механизмы, вызывающие незатухающие пульсации излучения в твердотельных лазерах. В параграфе 2 рассмотрены существующие методы селекции и перестройки длины волны излучения, а также способы получения квазистационарной генерации и режима гигантских импульсов. В третьем параграфе детально описана экспериментальная установка, на которой была исследована динамика свободной генерации и методов регистрации исследуемых параметров лазерного излучения в различных режимах. В параграфе 4 сделан анализ технических возмущений импульсного твердотельного лазера и описаны методы устранения их влияния на динамику генерации.

В главе 2 изложены экспериментальные результаты по исследованию динамики свободной генерации лазеров на ионах хрома в кристаллах хризоберилла, редкоземельно-галлиевых гранатах и других средах и проведено сравнение спектрально-временных и энергетических характеристик их излучения с лазером на рубине. В параграфе 2.1 приведены основные спектроскопические характеристики активных сред с ионами хрома. В параграфе 2.2 экспериментально исследованы спектрально-временные и энергетические параметры генерации лазера на александрите в зависимости от энергии накачки, коэффициента пропускания выходного зеркала, длины резонатора и температуры кристаллов. Для сравнения

приведены аналогичные зависимости для лазера на рубине в аналогичных условиях. Свободная генерация лазера на александрите в обычных условиях происходит всегда в режиме незатухающих пульсаций интенсивности излучения с широким спектром с максимумом излучения на 750 нм. Показано существенное влияние слабой паразитной селекции продольных мод на торцах активного стержня на появление линейчатой структуры спектра. Измерен тепловой дрейф линии усиления ионов хрома в кристалле александрита. Использование призменного дисперсионного резонатора позволило стабилизировать спектр генерации, сузить его до 1 нм и получить перестройку длины волны излучения в диапазоне 706800 нм. В параграфе 2.3 приводятся экспериментальные результаты по исследованию свободной генерации лазеров на ионах хрома в кристаллах иттрий-скандий- и гадолиний-скандий-галлиевых гранатов. Исследованы зависимости интегрального спектра генерации и его ширины от уровня накачки и температуры кристаллов. Свободная генерация в этих средах происходит также в режиме незатухающих пульсаций излучения. В параграфе 2.4 проведено сравнение энергетических параметров генерации исследованных сред. Показано, что максимальная энергетическая эффективность генерации лазеров достигается при оптимизации длины резонатора, коэффициента пропускания выходного зеркала и температуры кристаллов.

В главе 3 приведены экспериментальные данные по исследованию спектрально-временных и энергетических параметров свободной генерации лазеров на ионах неодима. В параграфе 3.1 систематизированы спектроскопические характеристики исследованных сред. В параграфе 3.2 описаны лазеры на неодиме в берилла-те лантана. Исследованы спектрально-временные характеристики излучения ТЕМ00д и ТЕМтщ и зависимости удельной энергии генерации от параметров резонатора, температуры активной среды и энергии накачки. В сложном дисперсионном резонаторе,состоящем из двух селекторов-эталонов Фабри-Перо, получена одночастотная квазистационарная генерация ТЕМ00Я и ТЕМтщ мод с перестойкой длины волны около 6 нм. В параграфе 3.3 иссле-

дованы генерационные характеристики лазера на ионах неодима в гексаалюминате лантана-магния. Измерены зависимости энергии генерации от длины резонатора, пропускания выходного зеркала, температуры кристаллов и энергии накачки. Перестройка в диапазоне 3.5 нм получена при использовании селектора-эталона Фабри-Перо. В параграфе 3.4 приведены экспериментальные результаты исследований параметров генерации лазера на ионах неодима в гадолиний-скандий-галлиевом гранате с примесью ионов хрома. Измерены зависимости энергии генерации от параметров резонатора, энергии накачки, температуры кристаллов и проведено их сравнение с параметрами генерации Ш:УАС-лазера в одинаковых экспериментальных условиях. Удельная энергия генерации в этом лазере возрастает в 2.5 раза по сравнению с Ш:УАС-лазером при одинаковых накачках. При увеличении температуры кристаллов от 10 до 90°С энергия генерации в Ш:Сг:С8СО-лазере уменьшалась на 15%,а энергия генерации Ш:УАС- лазера практически не изменялась. Исследованы спектрально-временные параметры генерации, температурные зависимости спектра квазистационарной генерации обеих сред. Дрейф линии усиления составил 3.85 -10_3 нм/град для Ш:Сг:С5СС лазера и 4 -Ю-3 нм/град для ЛМ:УАО * лазера. В неселективном резонаторе при малых уровнях энергии накачки в Ш:Сг:С8СО и Ш:УАС -лазерах генерация всегда происходит на длине волны 1064 нм. С ростом энергии накачки появляется генерация на длине волны 1061 нм. Для ИсЬСпСЗСС-лазера генерация на длине волны 1061 нм появляется при энергиях накачки в два раза больше пороговой, а для М:УАС-лазера при энергиях накачки в четыре раза больше пороговой.Из-за большого уровня термооптических деформаций в кристалле N<1:0:0300 удается получить квазистационарную генерацию только ТЕМ00Я мод. Получена одночастотная перестраиваемая генерация продольных мод в сложном дисперсионном резонаторе с двумя селекторами-эталонами Фабри-Перо. Общий диапазон перестройки составил около 3 нм. В параграфе 3.5 экспериментально иссладована свободная генерация на ионах ионов неодима в концентрированных фосфатных стеклах. Исследованы энергетические параметры ла-

зеров на КНФС и фосфатном стекле ГЛС-22. Энергия генерации достигает насыщения при энергиях накачки порядка 600 Дж, для лазера на ГЛС-22 при тех же уровнях накачки насыщения энергии генерации не происходит. При низких уровнях накачки эффективность генерации в КНФС была вдвое выше, чем в ГЛС-22, и только в 1.3 раза при энергиях накачки выше 600 Дж, что объясняется более низкими термооптическими характеристиками КНФС. С ростом температуры эффективность генерации в ГЛС-22 падает в 1.2 раза. Для КНФС температурную зависимость генерации измерить не удалось из-за возникновения при нагревании микротрещин, приводящих при больших накачках к разрушению стержней. Угловая расходимость излучения при малых энергиях накачки в обоих лазерах примерно одинакова, при больших энергии накачки расходимость излучения лазера на Ш:КНФС была больше, чем у лазера Кс1:ГЛС-22. Квазистационарная генерация в лазере на Ш:КНФС получена для ТЕМоод мод при сглаживании продольной неоднородности поля с помощью компенсируемой фазовой модуляции. Селекция и перестройка длины волны излучения получена в сложном дисперсионном резонаторе, состоящим из призмы и селектора-эталона Фабри-Перо. Получена одночастотная генерация с шириной интегрального спектра 5 40-4 нм и перестройкой в диапазоне около 0.27 нм. В параграфе 3.6 исследована генерация на ионах неодима в кристаллах калий-иттриевого и калий-гадолиниевого вольфраматов. Получена устойчивая квазистационарная генерация ТЕМоод и ТЕМтпч мод в резонаторе с плоскими зеркалами при его оптимальных параметрах. Генерация ТЕМтщ мод реализуется только при небольших индексах поперечных мод. Скорость теплового дрейфа линии усиления исследованных кристаллов в длинноволновую область при увеличении температуры составляет 0.96 пм/град. В параграфе 3.7 исследуется параметры генерации мощного непрерывного лазера на кристаллах Ш:УАС с целью получения максимальных энергетических характеристик излучения. Исследованы распределение температуры по сечению лазерного стержня в зависимости от уровня накачки, влияние паразитной селекции продольных мод на режим генерации, оптими-

зированы параметры резонатора. Полное устранение паразитной селекции позволило получить низкий уровень остаточных пульсаций интенсивности излучения и сузить ширину спектра до 8 пм. Для кристаллов Ш:УАС диаметром 6.3 мм получена мощность 150 Вт при мощности накачки 6 кВт с угловой расходимостью 20 мрад. В параграфе 3.8 проведено сравнение энергетических характеристик излучения лазеров на ионах неодима в исследованных средах при одинаковых экспериментальных условиях. Показано, что для получения оптимальных энергетических параметров для всех сред требуется оптимизация длины резонатора и пропускания выходного зеркала. Наименьшую угловую расходимость имеют лазеры на Ш:УАС, наибольшую - Ш:ЬКА-лазеры. В параграфе 3.9 обсуждается проблема незатухающих пульсаций излучения в твердотельных лазерах. Сделан анализ предложенных ранее возможных механизмов возникновения незатухающих пульсаций интенсивности излучения в твердотельных лазерах. На основе экспериментальных данных подтвержден вывод о существовании физического механизма, обуславливающего незатухающие пульсации в активных средах с примесными ионами, имеющих внешнюю рабочую электронную оболочку. Возникающие электрические поля лазерного излучения сильнее воздействуют на на электроны 3<1 оболочки ионов хрома, которая является внешней, чем на электроны глубоко экранированной 4f оболочки ионов неодима. Электрическое поле лазерного излучения дополнительно расщепляет энергетические уровни иона хрома вследствие динамического эффекта Штарка. Поскольку пространственная структура стоячей волны в среде изменяется в процессе генерации, то динамический эффект Штарка приводит к модуляции коэффициента усиления активной среды во времени и незатухающим пульсациям интенсивности излучения.

В главе 4 приведены экспериментальные результаты по исследованию параметров генерации лазеров на ионах неодима в кристаллах иттрий-алюминиевого граната, гадолиний-скандий-галли-евого граната с хромом, бериллата лантана и гексаалюмината лантана-магния в режиме гигантского импульса излучения с пассивной модуляцией добротности резонатора затворами на кристал-

лах фтористого лития с центрами окраски. В параграфе 4.1 сделан анализ методов получения одночастотной генерации в режиме модуляции добротности. В параграфе 4.2 приведены экспериментальные результаты исследований параметров гигантских импульсов излучения лазеров на ионах неодима в кристаллах ШгУАС, Ш:Сг:С8СС, Ш:ВЬК, Щ:1ЛМА. Также, как и в режиме свободной генерации максимальная энергия импульсов достигается при оптимизации коэффициентов пропускания выходного зеркала резонатора и пассивного затвора. Зависимости энергий генерации гигантских импульсов от коэффициентов пропускания выходного зеркала и пассивного затвора имеют максимумы для всех исследованных лазеров за исключением Ис1:Сг:С8СС-лазера. Получены экспериментальные зависимости энергии генерации перечисленных выше сред от коэффициентов пропускания выходного зеркала резонатора, пассивного затвора и длины резонатора. При оптимальных параметрах резонатора и пассивного затвора получены следующие удельные мощности гигантских импульсов : 18 МВт/см3 для Ш:УАС-лазера, 16 МВт/см3 для Ш:ВЬМ-лазера, 11 МВт/см3 для Ис1:УАС-лазера, и 0.5 МВт/см3 для Ш:ЬМА-лазера. В дисперсионном резонаторе получена одночастотная генерация гигантских импульсов с перестройкой длины волны излучения в диапазоне 0.2 нм для ШгУАв, 0.3 нм для Ш:Сг:СБСС, 0.4 нм для Ш:ВЬК, и 0.5 нм для Ш:ЪКА лазеров.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении рассмотрена теория свободной генерации на основе квантового кинетического уравнения, теоретически обосновано влияние динамического эффекта Штарка на динамику свободной генерации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально обоснован новый физический механизм возникновения незатухающих пульсаций излучения в твердотельных лазерах па ионах, имеющих внешнюю рабочую оболочку, который обусловлен полевым расщеплением рабочих уровней ионов в собственном поле излучения вследствие динамического эффекта Штарка.

2. Впервые получена одночастотная перестраиваемая квазистационарная генерация в лазерах на ионах неодима в берпллате лантана, гадолиний-скандий-галлиевом гранате с хромом, калий-гадолиниевом, калий-иттриевом вольфраматах и концентрированных фосфатных стеклах в обычных эксперементальных условиях и оптимизированы энергетические характеристики излучения.

3. Впервые получена мощная одночастотная перестраиваемая генерация гигантского излучения в лазерах на ионах неодима в бе-риллате лантана, гадолиний-скандий-галлиевом гранате с хромом, гексаалюминате лантана-магния и иттрий-алюминиевом гранате при пассивной модуляции добротности резонатора затворами на кристаллах фтористого лития и оптимизированы энергетические параметры излучения.

4. Впервые исследованы спектрально-временные параметры свободной генерации лазеров на ионах хрома в кристаллах александрита и редкоземельно-галлиевых гранатах, получена стабилизация длины волны излучения в диапазоне 1 нм и ее перестройка в интервале 700-830 нм.

5. Впервые измерена скорость теплового дрейфа линии усиления ионов неодима в кристаллах бериллата лантана, гадолиний-скандий-галлиевого граната с хромом, калий-гадолиниевого вольф-рамата

6. Оптимизированы параметры генерации и измерены тепловые деформации в кристалле мощного непрерывного лазера на ионах неодима в иттрий-алюминиевом гранате.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Анциферов В.В., Ерохин Н.С., Иванов Е.В. Исследование термооптических деформаций при непрерывной генерации Nd:YJ лазера. В сб. "Взаимодействие и самовоздействие в нелинейных средах" .изд. "Дониш".Душанбе.1988.С.129-149.

2. Анциферов В.В., Алимпиев А.И., Иванов Е.В., и др. Динамика генерации лазера на бериллатё лантана с неодимом. Элек-трон.техника, cep.ll., 1991, вып.2(58), С.6-9.

3. Анциферов В.В., Алимпиев А.И., Иванов Е.В., Хабурзания Г.В. Динамика свободной генерации перестраиваемого лазера на александрите. ЖТФ, 1992, т.62, вып.З, С.9-16.

4. Анциферов В.В.,Ерохин Н.С., Иванов ЕВ .Динамика свободной генерации лазеров на ионах неодима. Препринт ИКИ РАН, Москва, 1992, N 1820, 72 с.

5. Анциферов В.В., Иванов Е.В., Смирнов Г.И. Динамика и параметры Nd : Cr:GSGG лазера в режимах свободной генерации и гигантского импульса. Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1993, N 93-105, 18 с.

6. Анциферов В.В., Иванов Е.В., Смирнов Г.И. Параметры генерации лазеров на ионах неодима в кристалле LNA и стеклах КНФС. Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1993, N 93-106, 20 с.

7. Анциферов В.В., Иванов Е.В., Смирнов Г.И. Параметры свободной генерации лазеров на ионах хрома в кристаллах александрита и РЗГГ. Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1993, N 93-107, 26 с.

8. Анциферов В.В., Иванов Е.В., Смирнов Г.И. Оптимизация энергетических характеристик излучения твердотельных лазеров на ионах хрома и неодима. Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1993, N 93-112, 15 с.