Фотофизика лазерных центров окраски в кристаллах фторида лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

московским государственный инженерно-физический институт

(ТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ)

Рг6 ол

"" На правах рукописи

ТЕР-МИКИРТЫЧЕВ Валерий Вартаиович ФОТОФИЗИКА ЛАЗЕРНЫХ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ В КРИСТАЛЛАХ ФТОРИДА ЛИТИЯ

01.04.21.- лазерная физика

; ; А В Т ОРЕФЕРАТ

дассертации на соискание ученой степени кавдидата физико-математических наук

Автор:

Москва-1994

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: Быстрый прогресс в области квантовой : .электроники,.биологик и других важных направлений: современной науки требует создания все более надежных и эффективных лазерных источников. Особую роль среди них занимают появившиеся более 15 лет назад перестраиваемые лазеры на центрах окраски (ДО), .позволяющие непрерывно перекрывать широкий диапазон длин волн оптического спектра 0.5-^4.0 мкм<..

В настоящее время роздан' важный и широкий класс 1 перестраиваемых лазеров на ЦО, работающих при температурах, близких к комнатным .однако остался нерешенным

целый ряд задач:

1). Повышение фотоустойчивости ЦО к воздействию лазерной накачки ■ и выяснение механизмов¡такого воздействия.

2). Повышение термической стабильность центров окраски.

3). Повышение рабочей Концентрации, лазерно-активных центров окраски: при минимальных неактивных потерях на частотах

' ' накачки и генерации. Создание активных элементов с высокой концентрацией рабочих центров и малыми потерями. - 4). Расширение спектрального диапазона перестраиваемой генерации в УФ и ИК области оптического спектра. "

Именно решению этих задач и посвящена данная диссертация. В этой связи детальное исследование механизмов , фотопревращений ЦО под , действием лазерного излучения представляетсяактуальной проблемой в физике лазерных сред на основе кристаллических веществ, в которых возможность протекания многоступенчатых фотохимических реакций всегда следует принимать

' высокотемпературном УФ воздействии.

. 4-Обнаружение процессов взаимных фотопревращений центров окраски - о полосами, поглощения на 380 нм, 450 нм и в области 500-570 юл в кристаллах ЫР-ОН. ."* 5.Обнаружение и измерение антистоксовой люминесценции Р3+ центров - окраски в кристаллах Ь1Р при двухфотонном Ж возбуждении.

6.Механизмы дополнительных ( кроме двухступенчатого ) каналов фоторазрушения Р^ и Р2+ Центров окраски: в обнаруженных двух типах кристаллов ЫР, характеризуемых отсутствием или наличием баланса между разрушившейся частью концентрации и образовавшейся в процессе ионизации концентрации Р2+

7.Создание эффективных "и надежных перестраиваемых лазеров, , устойчиво работающих при комнатной температуре с- рекордными

параметрами в результате оптимизации методов радиационного окрашивания и создания активных элементов Ы?:Р2, ЫРСР^-ЫР:Р2- . и высококонтрастных, пассивных лазерных затворов на основе кристаллов ЫЗ?:!^"., 8.0птимиза1щя схемы резонатора перестраиваемого ЫР( *

лазера, на базе решетки и линзового телескопа, позволяющая увеличить надежность работы лазера при одновременном улучшении расходимости, сужении линии генерации и. повышении КПД по падающей на кристалл энергии в максимуме перестроечной кривой до 25% .в спектральной области 0.83-1.1 мкм. -

9.Получение лазерной генерации на базе оптимизированных активных элементов Ь1Р:Р2~ с КПД по падающей на кристалл энергии в

4.Предложено объяснение обнаруженных явлений соответствия и несоответствия между разрушившимися при лазерном .воздействии Р? и образующимися при этом ?2+ ДО в двух типах кристаллов Ы.У. Факт такого несоответствия , концентраций связывается с разрушением ЦО при взаимодействии с г- -ионами фтора и

• восстановлением регулярных узлов решетки.

5.Впервые обнаружена ■ антистоксова люминесценция Р3+ центров окраски в кристаллах ЫР при ИК возбуждении. .-Максимум люминесценции соответствует 630 нм.

6.Впервые измерены спектры антистоксовой люминесценции' и

, возбуждения Р3+ Центров окраски в кристаллах ЫР.

7.Обнаружена кйадратичная зависимость интенсивности антистоксовой люминесценции Р3+ центров окраски от интенсивности ИК возбуждения, которая .указывает на двухфотонный механизм, возбуждения.

8.На оптимизированных активных элементах ЫР:Р2, Ь1Р(Т2 -Р2+) и ЫР:Р2~ лазеров и пассивных, лазерных затворах на основе кристаллов- Ш1:^- получены рекордные на сегодняшний день

. ресурс работы, и КПД этих лазеров, а также получены- рекордные величины просветления кристаллов ЫР на А,=1064 нм и А,=Э30 нм.

9.Созданы высокоэффективные широкополосные И:- перестраиваемые импульсно - периодические лазеры на кристаллах ЫР(Р2 - Р2+) и ЫР:Р2~ , надеадо работающие, при комнатной температуре с рекордными параметрами генерации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ■ -

^Изложенные ■ в .. диссертации результаты теоретических и

.работах составлял 40%). 5.На оптимизированных ПЛЗ на основе кристаллов ЫР:^- для ¿, ■ ...дщгазона длин волн Т.06-1.1 мкм : дбстигнут максимальный контраст коэффициентов поглощения в "исходном и просветленном .состоянии- 19.6. Использование данных ПЛЗ в резонаторе ■ импульсного ХАС^М3*- лазера позволило' получить преобразование энергии импульса в режиме свободной генерации в модулированнуа .добротность: 72%. . ' -..Результаты исследований автора по перестраиваемым лазерам на . ДО используются в разработке коммерческих перестраиваемых лазеров ; серии МАЛСАН, работаицих при комнатной.температуре и не имеющих аналогов за рубежом.

ПУБЛИКАЦИИ: По результатам проведенной работы опубликовано 19 печатных работ.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались ; на: 2-й Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученных "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики .плазмы" (г.Минск, 1989 г.), 8-м Всесоюзном совещании-семинаре "Спектроскопия лазерных материалов" (г.Краснодар, 1991 г.), 14-й .; ;; Международной конференции по "когерентной и нелинейной, оптике" (гЛенинград, 1991 г.), Мездународной конференции по лазерам и электрооптике (СЬЮ, Анахейм, США, 1992 г.), Международной конференции по люминесценции (1СЬ*93, Коннектикут, США, 1993),

- 'V •/."■. .. - 9 - ■ V

фотофизическив свойства и термоустойчивость основных центров окраски в кристаллах ЫР. Дан краткий обзор последних достижений в области создания твердотельных- перестраиваемых лазеров на центрах окраски, работающих при комнатной температуре. Особое внимание уделено описанию механизмов стабилизации положительно ■ заряженных ЦО. примере ?2+ КО в кристаллах ЫР описывается два принципиально разных подхода к проблеме термо- и фотостабилизации заряженных ЦО. Один из них связан , с введением в кристалл стабилизирующих примесей при его росте, например, ионов гидроксила '■' ОН*", что стабилизирует при радиационном окрашивании определенную . концентрацию Р2+ ДО- Однако сравнительно малые концентрации ( < I .см"1' ), низкая,фотоустойчйвоеть данных ЦО к излучению накачки, попадающему в коротковолновое крыло Полосы поглощения ¡Р^"1"* ЦО и существующие потери в-' области, генерации снижают 'эффективность ...лазеров на их основе и ограничивают; их. применение!. Перечисленные трудности удается преодолеть с использованием другого метода, позволяющего путем воздействия , лазерного излучения в ; область перекрытая полос поглощения и ^^ ЦО кристалла ЫР, изначально содержащего только ДО , как создавать нужную концентрацию рабочих центров за счет ионизации ДО,, так и создавать инверсную населенность, что, позволяет получать устойчивую лазерную генерацию на ДО при комнатной температуре.с большой частотой повторения импульсов и высокой пиковой мощностью.

Далее, в работе приведены результаты по. -исследованию обнаруженного процесса двухквантового возбуждения антистоксовой

проанализированы кинетики населенностей уровней при . непрерывном освещении и произведен переход к импульсно... - периодическому режиму в случае малых вероятностях рекомбинационннх процессов по. ' сравнению с веро^тностью ионизацин: %2/2№23<1' Соответствующее выражение дая скорости ионизации в случае отсутствия насыщения на обоих переходах выглядит следующим образом:

I/ .. . S>Ífai¿í¡P+4z)

- где-Wgg - вероятность рекомбинации, при этом, область применимости формулы (3) дается неравенством: -

ф а

; У Кк^^+Ча (4.) ■

; - В. рамках данного случая .получено аналитическое выражение, связывающее стационарное значение ионизованных ОЦ, М3, с интенсивнострями .световых: потоков." ;. и. " спектроскогшчесетшк

^сонстантами о^з и W32:: ^

Последнее выражение вместе с ' выражением (3) позволяет в случае учета рекомбинационннх процессов рассчитать как сечение-ионизации о23, так и сечение рекомбинации о32.

Исследованы обнаруженные процессы взаимных фотопревращедмй в ■ коллективе F3 ( Rj- 320 нм ; Щ > 380 нм ), Р3+ (458 ш) и N (550 нм) Ц0 в бескислородных кристаллах ЫР под действием излучений ,. гармоник NcT^zYAG лазера. Установлено, что N Ц0 образуются более -эффективно; при одновременном бихроматичзском воздействии на

Далее приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов воздействия мощного лазерного излучения на ?2 и 12+ ЦО в 15рис'саллах 11Р.

На основе результатов теоретического анализа /процесса двухступенчатой фотоионизации оптических центров в рамках модели, не учитывающей рекомбинационные процессы, полученой формулы, связывающей скорость образования ионов при импульсно-периодическом возбуждении к интенсивности светового потока (Глава 2) и по экспериментально измеренным средним скоростям накопления Р2+ ЦО в Ъ1Р под действием излученияс с Я=532 нм впервые расчитана фундаментальная константа ?2 4° - сечение ионизации на второй ступени - возбуждения. Значение сечения, оцененного по разработанной методике, составляет величину о23=2.0?0.5 х Ю-^см^. Из сравнения о^ и о12=2.88 х Ю-19 см2, сечение " ионизации на длине волны 532 нм на два порядка меньше,; чем сечение поглощения нал этой же длине волны, приходящейся на. длиноволновое крыло ! полосы , поглощения . Р2 и меньше

о12шх(Р2)=6.7 х '10-17 см2 на А=445 нм более чем на три порядка. Это указывает на нерезонансный характер второй ступени ионизации и может быть связано с переходом из локального уровня Р2 ЦО в зону проводаюсти. Так же нерезонансный характер ионизации об'ясняет возможность йолучвния генерации на ^ ДО в при накачке с А.=532 нм.

Анализ модёли двухступенчатой фотоионизации, учитывающей рекомбинационные процессы ОЦ через возбужденное состояние, позволил путем приложения ,, полученных аналитических выражений,

- Х5 -

кристаллах ЫР с ЦО по-видимому связано с протеканием преимущественно двухступенчатого процесса ионизации Р2 ЦО с локализацией рвободных; электронов на ЦО, которых достаточно много в этом типе кристаллов (более половины в . М полосе) и которые выполняют роль эффективных ловушек освободившихся при фотоиодазадаш Р2 ЦО электронов. Таким образом, в этих кристаллах проявляющийся баланс концентраций Р2 : ?2+ связан с локализацией освободившихся электронов в коллективе низкоагрегированных Р2, Р3+, Р2+ЦО:

Р2 + ^0.53 - F2* + hv0.53 - V + е~

F2+ + е - Р2 (3)

Р2 + е -* F2" (4)

Р3+ + е - Р3 (5)

, Принципиально другая ситуация имеет место во втором типе кристаллов L1F с ЦО. В этих кристаллах присутствует достаточно большое количество N ЦО, расположенных в спектральной области перекрытия полос поглощения Р2 и P2f ЦО и спектрально совпадающих с длиной водны излучения накачки Ь1Р(Р2-Р2+) лазера.

Освободившийся электрог- в процессе двухступенчатой фотоионизацш Р2 ЦО уже :, не может,, по-видимому, захватываться . эффективно Р3* ЦО из-за малости концентрации последних. Центрами эффективного его захвата в данном типе кристаллов LiF могут быть мездоузелыше атома фтора г,. которые , могу?1 входить в состав высокоагрегированных N-подобных или коллоидных центров:

Ч + hv0.53 ^ F2* + hv0.53 - V + е~ <6>

оптимизированы основные параметры лазерной генерации, . что стало возможным в результате оптимизации соответствующих технологий, выполненной в лаборатории лазерной спектроскопии . твердого тела ИОФ РАН при непосредственном участии автора, создания АЭ. Оптимизирование методов радиационной обработки позволило получить ,: высокоэффективную широкополосную генерацию на ЫР:Р2 (ресурс работы более 2 х Ю4 импульсов генерации при плотности мощности излучения накачки более 40 МВт/см2) , АЭ на ЫР (Р2-*Р2+) (Ресурс работы доведен более , чем до 10 часов . непрерывной работы на одном канале генерации со спадом по максимальному уровню мощности 20% при частоте повторения импульсов 12.5 Гц и плотности мощности накачки >150 Мвт/см2, КПД по поглощенной энергии составил 41%, а по падающей 40%) и АЭ на ЫР:Р2~ (КЦД по поглощенной энергии составил 60-70%, а по падающей 60%). Исследования по перестраиваемым лазерам на основе этих АЭ позволили получить следующие результаты:

Помещение трехкратного линзового телескопа в резонатор ЫР^-^*) лазера, образованного дихроичным входным зеркалом, и дифракционной решеткой, позволило одновременно увеличить КПД перестраиваемой генерации, доведя его до 25 %, существенно улучшить модовый состав излучения и расходимость (5хЮ"4) при ширине линии " узкополошой генерации <1 см-1 и увеличить фотостойкость дифракционной решетки.

В результате оптимизации активных элементов ЫР:Р2~ получена , перестраиваемая лазерная генерация с КПД го падающей на кристалл энергии в максимуме перестроечной кривой • 40% и" шириной линии генерации 2-2.5 см-1.

:. Полученные ПЯЗ на основе данных кристаллов'ЫР^- проявили

лазера. 3?3 и Р3+ ЦО необходимы для селективного фотонакотаения N ЦО по реакции: /.'у,'"'-''';'''''.'.

■■■■ .^V у У

.^у^уУ/-;. _ V >N v.;;/

, Чу?ЧУ- 0.35 + 1.06 ' -'У'у

На основе полученных данных предлагается модель N ЦО, как изомера Р3 центра окрасюи 4.Обнаружены процессы взаимных фотопревращений в кристаллах ЫР-ОН в коллективе центров окраски.с полосами . поглощения на . 380 нм, 450 нм ив диапазоне 500 - 570 нм. Предложены модели ЦО с полосой поглощения 380 нм как Р3+* ЦО, с полосой поглощения на 450 нм как F3+** ЦО и с полосами поглощения в диапазоне 500 - 570 нм как Р3* ЦО. ; .

5.Предложено объяснение обнаруженных явлений соответствия и несоответствия между разрушившимися при лазерном воздействии Р2 и образующимися при этом Р2+ ЦО в двух типах кристаллов ЫР. Факт такого несоответствия концентраций связывается с разрушением F2+ ЦО при взаимодействии с F~ ионами фтора и восст'ашвлением регулярных узлов решетки, а -наличие "баланса"

. обусловлено локализацией освободившихся при фотоионизации электронов в коллективе низкоагрегированных Р2, Р3+, Р2+ ЦО, что и цршзодит к протеканию . цримущественно процесса двухступенчатой фотоионизации Р2 ЦО.

6.В результате огтшизациитехнологии изготовления активных элементов Ь1Р :Р2 MP (Р2 - Р2+) и ЫР :Р2~ лазеров и пассивных лазерных затворов на основе кристаллов ЫР:Р2~ получены

-совещания "Спектроскопия лазерных материалов", ..Краснодар, 1991, стр.51-52. ■•;; ' ••'"' ' Т - ' '' ■

. ; б.Т.Т.Басиев, С.Б.Миров, В.В.Тер-Микиртычев "Исследование механизмов двухступенчатой фотоионизации оптических центров", ' ; препринт ИОФАН П.64, 1991. "--'i—

б.Т.Т.Басиев, В.А.Конюшкин, . С.Б.Миров, В.В.Осико,

* В.-В.Тер-Микиртычев , "Способ ..контроля качества ; активной лазерной среда.":,,А.С.п.4951413/25, 1991. 7-Т.Т.Басиев, В.А.Конюшкин, С.Б.Миров, В.В.Тер-Микиртычев' "Эффективные перестраиваемые лазеры на кристаллах L1P(Р2) с р2 и F2+ центрами окраски"// Квантовая электроника, 19, п.2, ,■ 1992, СТр.145. '.•*>< ' ■ ■

, B.T.T.BasievVД,В,Й1го?., V.V.Ter-MlkirtycheY " Two - Step photo; ionization of P2 color centera 4л Ш " Abs .Яер. of Conferense on lasers and Electro-Optics СЬЕО 92, Baltimore, May, 1992.

v ; Y.V.T«v4liJctrtycfcev,

V.V.Pedorov "Efficient P2+ and P2~ color center lasers in LiP " Abs .Rep, of Conference on lasers and Electro-Optics CLEO 92,^ Baltimore, Щ, 1992. - V ■'

ia.l\T.Basiev, S.B.Mixw, V.Y.Ter-MiRirtychey "Two - step photo. ionization and photopliysics of color centers in IIP crystals", Proceedings SPIE, "Solid State Lasers and New baser Crystals", V. 1839, p.227-264, 1991. ? II.T.T.-Басиев, : С.Б.Миров, , В.В.Тер-Микиртычев "Фотопревращения центров окраски в кристалл?« ЫР под действием лазерного излучения", препринт ИОФ РАН п.18, 1992^

' .кристалле ЫР" // Тезисы докладов 9 Всесоюзного семинара-совещания "Спектроскопия лазерных материалов " Краснодар, 1993, с.49-50. ' у-'.'-';

18.Т.Т.Басиев, В.А.Конюшкин, С.Б,Миров, В .В. Тер-Микиртычев, „ В.В.Федоров "Генерационные' характеристики широкополосных и перестраиваемых лазеров на основе щжсталлов ЫР с Р2+ и Р2~ центрами • окраски'» работающих при комнатной температуре"// - Тезисы докладов ,9 -Всесоюзного . семинара - совещания "Спектроскопия лазерных материалов", Краснодар, 1993,

' I9.T.T.Basley,V.V,Pedoroy , ; S.B.Mlrov, V.V.Ter-MiklrtycheV .

tinsabie' 'lasers on Ь1Р:Р2+ , MP:P2~ color center crystals for near IR and Visible spectral regions" Abs . Rep. of International Conferense "lasers'93", Muncben, p.922-924, 1993. ;

Подписано в печать 17.02.94 Заказ 52.С . . Тираж 120 экз

Типография МИФИ, Каширское шоссе* 31