Генерационные характеристики лазеров на кристаллах LiF:F+2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

-Г, ОД

. АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ^ ОРДЕНА ТК/ДОВОГО КРАСЮГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ФИШКИ ш. Б,И. СТЕПАНОВА

УДК 621. 373. 826. 038 . 825 . 2

САСКЕЗИЧ НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

1ЕНЕЗРАЩ0НШЕ ХАРШ'ЕШСШКИ ЛАЗЕРОВ НА КРИСТАЛЛАХ ЫР:?/

01.04„21 — лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1996 г,

Работа выполнена в Отделе оптических проблем информатики АН Беларуси.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник

КАИОТЖО Ф.В. кандидат физико-математических наук

СИНИЦЫН Г.В.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН Б,

доктор физико-математических наук, профессор

ВОЙТОВИЧ А.П. кандидат физико-математических наук, доцент

СКРШЖО Г .А.

Оппонирующая организация: Международный лазерный центр

/г. Минск/

Защита состоится " Сипрел^ 1996 г. в тасов

на заседании Совета по защите дисоертаций Д 01.05.01 в Институте физики им. Б.И. Степанова АН Б / 220602, г. Минск, ГСП, пр. Ф. Скорины, 70/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ® им. Б.И. Степанова АН Б.

Автореферат разослан "<¿5" лихрггъд. хдде г.

Учёный секретарь

Совета по защите диссертаций

доктор физ-шт. наук, профвс™" * А Афанасьев

ОНЦАЯ ШШШС1Ш РАБОТЫ

Актуальность. Источники когерентного излучения ближнего ИК-диапаэона с перестраиваемой длиной волны требуется в молекулярной спектроскопии высокого разрешения, для внутриреэонатор-пой лазерной спектроскопии, в опто-аолоконных линиях связи и в других направлениях науки и техники. С середины семидесятых годов стали интенсивно исследоваться лазеры на ионных кристаллах с 7-центрами окраски /£Ц0/ - вакансиями анионов с локализованными в них электронами. Спектр их генерации протирается из видимой области в ближнее ИК-обдасть вплоть до 4 ыкм, ширина диапазона плавной перестройки -частоты доходит до 3000 см . Работающие при комнатной температуре лазеры на кристаллах фтористого лития с со спектральным диапазоном генерации 0,84 + 1,10 мкм По комплексу спектральных и энергетических параметров в начале восьмидесятых годов, когда ш приступили к данной работе, не имели аналогов среди генераторов когерентного излучения, перестраиваем« в окрестности Хр I мкм» Для их усовершенствования, расшрения круга применений требовалось решить дополнительно ряд задач.

при комнатной температуре термонеустойчивы /период их полураспада в ЫР не больше 12 часов/. Лазер на при

накачке второй гармоникой ЙАГ:№43+-лазера генерировал в то время с невысоким к.п.д. /до из-за малой концентрации З^-О -Ц0. В 1979 г. был создан лазер на кристалле ЫР с наработкой Тг*~ЦО из термоустойчивых 3^-Щ производимой второй гармоникой ишу-льсно-периодиче ского ИАГ:Юй3-лазера, которая одновременно и накачивает их - лазер па Ш^З^-*-^). Он имелк„п.д. до 30$. При диаметре активной зоны «I мм и поперечном сечении кристалла в несколько квадратных сантиметров »тот лазер при комнатной температуре обладает ресурсом работы до нескольких тысяч рабочих дней - одна активная зона на один рабочий день* Однако он позволял получать небольшую энергию в импульсе /до 1,5 мДк/, не были оптимизированы его спектральные характеристики, не исследовались поляризационные характеристики и стабильность к.п.д.

Для импульсных лазеров на кристаллах с^ЦО научный и практический интерес представляло осуществление динамической перестройки /свипироваиая/ длины волны излучения за время импульса генерации, позволяющей исследовать кинетику спектра генерации, создавать спектрометры со скоростной разверткой спектра.

Большинство созданных к середине восьмидесятых годов лазе ров на кристаллах с f-ЦО накачивались другими лазерными неточна ми. Ламповая накачка технически проще лазерной и в случае Эг-позволяет поучать импульсы генерации с гладким временным про нем, необходимые, в частности, для внутрирезонаторной лазерно спек1роскопин /ВР1С/.

Существовавшие лазеры с ламповой накачкой на кристаллах с if-UQ генерировали импульсы длительностью до 100 мкс. В то : время импульсы ыиллисекундного диапазона длительностей позвол ли бы существенно увеличить чувствительность метода ВРЛС, они актуальны для применений в медицине, например, в офтальмологи

К моменту постановки работы не были также в достаточной с1 пени ясны причины, затрудняющие ламповое возбуждение генераци в лазерах на кристаллах с ¡F-Щ в том числе и в лазерах на U с З^ЦО. Их понимание необходима для повышения эффективности ж ного класса лазеров, оптимизации состава активных сред и условий, эксплуатации.

Зчпя-чя диссертационной работы состояла в исследовании ген< рационных характеристик лазеров на , эксперимен-

тальных условий реализации режима динамической перестройки сп< ра генерации лазера на кристалле UiF-OH-:^, условий возбуждения генерации в лазерах на кристаллах ир-'З^импульсными лампа) в изучении влияния спектра и длительности широкополосной нака^ ки на порог и длительность генерации лазеров на UiF:^ — < целью создания оптимизированных лазерных источников ближнего ИК-диапазона на окрашенных кристаллах фтористого лития с кваз! непрерывным режимом генерации в миллисекундном диапазоне длительностей.

Научная новизра.

I. Впервые проведены систематические исследования энергета ческих, поляризационных, спектральных характеристик я стабильности к.с.д* лазеров на Lt F - (fs^^z) 0 возбуждением второй гармоникой имлульсно-ПБриодического лазера на ИАГ:М(13+.Прй этс спектр генерации лазеров на электронно-колебательных переходам 3^-центров в Li F , работающих при комнатной темпвратуре, pi ширен в коротковолновую сторону от 0,84 мкм до 0,815 мкм. Pecs рабом лазера-на без смены активной зоны понижением

температуры кристалла до -20°С увеличен с одного рабочего дня / ~10 часов/ до месяца, /сотни часов/.

2* Осуществлена динамическая перестройка /свипирование/ частоты излучения импульсного лазера на кристалле с со скоростями до-600 ом-х/ккс.

______ 3». йз лучением галлу ль сных ламп возбуждена генерация в лазерах на кристаллах и'Р с тержнеуетоичйвккй иГсо"стабильными

4. Исследовано влияние спектра и длительности импульсной ламповой накачки на порог и длительность генерации лазеров на ир:£>+. Для лазеров на кристаллах о У-ЦО с ламповой накачкой впервые осуществлен режим квязинеттрерывной генерации в милдисекундном диапазоне длительностей.

5» Обнаружено к систематически исоледовано наведенное поглощение б кристалле ИР-ОН':^ з полосе генерации при ламповой накачке. Установлено, что наведенное поглощение обусловлено свьтоин-дуцирсванными процессами в активной среде.

На защиту выносятся следушие положения.

1. Снижение к.п.д. лазеров на Ь'^-ОИ"'^вплоть до срыва генерации при широкополосной /ламповой/ какачке вызвано появлением наведенного поглощения в полосе генерации, обусловленного воздействием коротковолновой части спектра накачки /короче Л= 565 ям/.

2. Для лазеров на ЫР-ОН^с ламповой накачкой при переходе от хвазинепрерывного режима накачки длительностью в сотни мккро-секуэд :-". длительностям «-10 мкс оптимальная по порогу коротковолновая граница спектра накачки «двигается из аелтого участка спектра / ~565 нм/ в синий /—460 нм/ вследствие существенного уменьшения наведенного по.гвощения, при этот пороховая мощность накачки изменяется несущественно.

5. Для кристаллов и'Г-ОЮЗ^при расширении спек ара накачки в фиолетовую область наряду с механизмом наведения поглощения

с временем релаксации <~6 с проявляется гораздо более эффектйэнлй механизм наведения поглощения с константой релаксации с.

4. Ддя увеличения ресурса работы лазеров набез смены активной зоны с одного дня / ~Х0 часов/ до месяца /сотни часов/ достаточно охладить активный эяемент дс температуры ~ -20° с, при которой вероятность переориентации У^-Щ) и скорость их распада существенно уменьшаются.

Практическая значимость.

Результата работы использованы при создании промышленных лазеров на радиадионно окрашенных кристаллах фтористого лития серий "Спектрон-ЦС" а "ЩДСАН\ изготовленных СКТБ о ОП ИФ АН БССР

и ОПП НТО АН СССР. Они позволяют также создать высокочувствительные внутрирезонаторные лазерные спектрометры ближнего ЙК-диа пазона.

Личный вклад автора.

Диссертация отражает личный вклад автора, который состоял в постановке задач совместно с руководителями, участии в разработке и реализации методик экспериментов, проведении экспериментов и обработке полученных результатов, участии в обсуждении и интерпретации полученных результатов, их оформлении, методическом содействии при разработке лазера серии "МАЛСАН". Научные руководители Ф.В. Карпушко и Г.В. Синицын сформулировали тему и цель работы, совместно с автором поставили задачи, разработали и реализовали методики экспериментов, обсуждали и интерпретировали полученные результаты. Т.Т. Басиев и С.Б, Миров принимали участие в обсуждении результатов, вырастили и окрасили пс разработанным ими технологиям кристаллы UF:3j>, В.Б, Тараненко разработал и изготовил голографичесний селектор» А.П. Шкадаре-вич наряду с обсуждением результатов обеспечил эксплуатацию мощного ИАГ:№3-лазера, В,П. Морозов и A.C. Ясюкевич ставили эксперименты, результаты которых не входят в данную работу.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации докладывались на II Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" /Ленинград, 1980/, 1У Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" /Новосибирск, 1983, У Международной конференции "Перестраиваете лазеры" /Иркутск, 1969/. Основные результаты диссертации опубликованы в научной печати. По материалам диссертации опубликованы один доклад на конференции /тезисы/, пять отатей и три препринта.

Структура и объём работы.

Диссертация ззжжена на 171-ой странице, иллюс^ируется 59-тыо рисунками на 40 страницах, 5-тью таблицами на 4 страницах и состоит из Введения, четырех глав, Заключения, Приложения да 3 страницах и списка цитируемой литературы, включающего 157 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и задачи, научная новизна и защищаемые положения, указаны практические применения, апробация работы и личный вклад

актора, дана аннотация содержания диссертации.

р главе I сделан обзор литературы по лазерам на кристаллах cf-IJO.-

До комплексу энергетических, спектральных и временных характеристик лазеры на кристаллах с У-цО не уступают перестраивав— • -«ш лазерам на активированных кристаллах, полулизджм развитие в восьмидесятая года, Шелочно-галаидные кристаллы с f-ЦО проще активированных кристаллов в изготовлении, могут изготавливаться гораздо больших размеров, но уступают им по стабильности генерационных характеристик вследствие термически, оптически и тершоптическк индуцируешх изменений ЦО, ухудшающих параметры генерации вплоть до её срыва. Исследование этих изменений, наряду с развитием физики центров окраски ваканекокнон природа, должно позволить оптимизировать состав активных сред, термические и оптические условия их эксплуатации и благодаря этому повысить эффективность генерации и существенно улучшить её стабильность., Исследованиям изменений с ЦО в кристаллах UF:^-*^*) при лазерной накачке и изменений в спектрах поглощения кристаллов UF-OH"^при ламповой накачке посвящена часть диссертационной работы,,

В главе 2 представлены результаты исследования генерационных характеристик лазеров на LiF^-^jjl.a], а та;ке эксперимент ¡10 динамической перестройке /овипировашю/ длят волны изяуче-яия импульсного лазера на UF-OH-:?"/ [З, 4] .

При исследовании лазеров на в качестве исходных

использовались кристаллы UF-'ij, выращенные и окрашенный в ЙОФ № СССР по разработанным там технологиям» Они вырезаны ко кристаллографическим осям, шелк длину 3 4- 4 см, коэффициенты поглощения на длине волны излучения накачки = 532 нм/ от -I до

"Г П. с* г. ,

~3,о см , поглощение в паразитной для накачки -полосе Д-£Шксу=550 км/ от нескольких десятков процентов до -VCfe и остаточное поглощение на частоте генерации з паразитной для генерации %чюлосе = 360 нм,' от 0 до ~3C=/i. В качестве ис-гочника накачки использовался импульсно-периодический ЙАГ : -лазер на удвоенной частоте с длительностью импульса накачки на млувнсоте Toi= 10 не, частотой следования 10 Гц л энергией до 50 мДй. Плотность мощности излучения накачки, фокусировавшегося г> за кристалл в пятно диаметром 0,7 1,1 мм, достигала 500 ВЛВт/сьг.

В случае не селективно го резонатора при ориентации а доктрине-

«кого, вектора излучения накачки под углом 45й к кристаллографической сек пороги генерации для нараба тыгаешх активных зон составили 20 + 40 Шт/еь?» Максимальные значения к.п.д. /22 -г достигались при ?нар - 150 4- 250 МВт /сы и при дальнейшем увели-

чеши Р„„_, до, по крайней мере, 400 МЗт/сь^ сохранялись. Для нала р ^ - п

работашшх активных зон пороги доходили до 0,5 МВт/саз'% Нэсгдот-ря на значительные изменения от кристалла к кристаллу исходного поглощения в^%-пояосах, максимальные к.п.д. не выходили за пределы 22 + 24р„ Это обусловлено существенным уменьшением поглощения в Ж,-полоое в процессе наработки активной зоны и практически полным исчезновением З^-полосы вследствие двухсотенной ионизации генерируемым излучение:,! и излучением накачки.

Исследовались поляризационные характеристики лазера. При ориентации вдоль кристаллографической оси /f= 0е/ кривая зависимости к.п.д. от плотности мощности возбуждения идет на низе©, чем при ориентации Е^,,. под углом у» 45 . Причина различия з том, что при в плоскости, перпендикулярной 2нак, лежат и, соответственно, не возбуждаются 3j>-ДО двух из шести допустимых ориентации осциллятора в кристаллической решетке, а при f=45° - одной, ориентации. Соответственно концентрация £¡/"-110 в активной зоне при f-0° меньше, чем при f= 45°, и меньше к.п.д. При последовательном поворота пжскостк нолярЕЗа-цш излучения накачки на Э0° к.п.д* лазера возрастал на несколько благодаря чвщ были достигнута к.п.д. 2В% и энергия в импульсе генерации 14 цДа. Увеличение к.п.д« вызвано образованием новых актизшх^Чр из^-ЦО^ ориэнтгрозанных перпендикулярно первоначально.^- направлению E.JSSV, а тепловой перзориента-цией е новое направление из друггх оризнтаций б ус-

ловиях поляризующего действия на них мощного линейно поляризованного излучения. О последней механизме свидетельствует то, что после первых нескольких поворотов Е^,, на 90°, когда новые повороты уже не изменяют je та наз res, а дар, е ся после поворота значение к.п.д., его текущее значение тем не менее отслешвает поляризацию излучения накачка: непосредственно после поворота на 90° он уменьшается ка несколько процентов, а далее воввра-вдется к исходному, до поворота Е^, значению. При температуре -20° С этот эффект не наблюдается, ке наблюдается и увеличе-

кия к.п.д. после последовательных поворотов Еняк на 90°, что свидетельствует 0 значительном уменьшении вероятности переориентации ДО о

Сопоставлены спектральные характеристики лазеров на UF-с различными дисперсионными резонаторами, в которых в ка- .. честве диспергирующих элементов использовались: I/ реплика дифракционной решетки /600 штр/мм/ в схеме скользящего падения; 2/ голографическая решетка /пространственная частота 8000 см'/ с телескопируйтей 45°-призмой; 3/ решетка /1200 штр/мм/ s автоколлимационной схеме с дополнительным твердотельным интерферометром Фабри-Перо. Для этих трех резонаторов полученные диапазоны плавной перестройки длины волны составили 0,815'*- 1,085 мкм, 0,83 + 1,065 мкм и 0,8X5 + 1,095 мкм, ширины спектральных линий - 0,5 А0, 0,5 А0 и 0,35 А0, к.п.д, в'максимумах перестроечных кривых- 11% и 12% соответственно. Для лазеров на электронно-колебательных переходах З^-ЦО в MF , работающих при комнатной температуре, нами впервые получена генерация в спектральном участке 0,815 -г 0,84 мкм. Это стало возможным благодаря двум обстоятельствам: I/ при использованных плотностях мощности возбуждения Рнар в сотни МЗт/еь^ в спектрах поглощения: активных зон практически отсутствует паразитная для генерации^-полоса, коротковолновое крыло которой заходит в область длин волн Л,* <0,8 мкм; 2/ при диаметре нарабатывавшихся активных зон -I мм практически несущественны дифракционные потери в резонаторе.

В главе рассмотрено также поведение к.п.д* при работе без смены активной зоны, В режиме постоянно включенного возбуждения с неизменной плотностью мощности в импульсе <-100 Шт/сиг к.п.д. после насыщения стабилен в течение по меньшей мере двух с половиной часов. Без подсветки период полураспада Т^-Ю в' исследовавшемся' кристалле составлял 2,6 часа. Превышение времени жизни генерации /по половинному уровню к.п.д*/ над периодом полураспада 3|£Ц0 вызвано тем, что, по крайней мере, один из процессов гибели ^-Ц0 - их рекомбинация с электронами из зоны проводимости - ¡а условиях накачки является частично обратимым. Кроме того, при наличии в активной зоне мощного линейно поляризованного излучения вероятность переориентации ориентированных по полю^-ЦО в кристаллической решетке уменьшается, соответственно уменьшается скорость их распада.

Исследовалось влияние охлаждения кристалла до t°~ -20°С на

энергетические характеристики и на стабильность к.п.д. При охлаждении порог генерации в случае возбуждения о наработкой уменьшается в 2 раза для выходного зеркала с оптимальным по выходной энергии коэффициентом отражения, максимальный к.п.д. возрастает в 1,25 раза, ресурс работы лазера без смены активной зоны увеличивается с одного рабочего дня /-10 часов/ до, по меньшей мере, месяца /сотни часов/ соответственно увеличению периода полураспада с нескольких часов до значения, пре-

вышающего месяц. Последовательный поворот на 90° плоскости поляризации излучения накачки при*°= - 20° С, в отличие от случая комнатной температуры; не изменяет устанавливающегося после поворота значения к.п.д* Корреляция значительного уменьшения вероятности переориентациипри охлаждении до

- 20° С и существенного увеличения периода полураспада -Ц0 позволяют предполагать, что распад происходит преиму-

щественно в ходе движения составляющих их вакансий.

. Нами впервые осуществлена динамическая перестройка /свипи-рование/ длины волш излучения лазера на кристалле с У-ЦО [3, 4]. В качестве активного элемента использовался кристалл ЦРОЮЗ^. Внутри резонатора у выходного зеркала помещался интерферометр Фабри-Перо с пьезоэлектрическим управлением зазора между зеркалами. Для регистрации спектра использовался спектрохронограф. Диапазон свипирования длины волны /частоты/ ограничивался амплитудой управляющего синусоидального напряжения на пьезоэлемент и в случае накачки рубиновым лазером в режиме свободной генерации со слабой модуляцией добротности он составил ~400 А0 при скорости свипирования ~2 А°/мкс , а в случае накачки импульсным . лазером на красителе Я.-6Ж - ~1800 см-1 при скорости свипирования ~600 см /мке.

В главе 3 описаны результаты экспериментов по впервые осуществленному ламповому возбуждению генерации в лазерах на кристаллах ЫР с термонеустойчивыми [5] и со стабильными З^-ЦО.

Достижение сравнительно невысоких порогов генерации 0,5 Вт/с в лазерах на кристаллах ЫРпри лазерной накачке позволило спрогнозировать условия возбуждения в них генерации импульсными лампами. Эти условия были выполнены. Термонеустойчивые ^-ЦО нарабатывались в кристалле Цр:3^с коэффициентом поглощения К /X = 532 нм/ = 1,3 см , выращенном и окрашенном в НОФ АН СССР, второй гармоникой ишульсно-периодического лазера на ИАГгИЛ3"

с плотностью мощности -100 Шт/см2. Кристалл располагался внутри резонатора. 3 процессе наработки З^Ш возбуждалась генерация на их электронно-колебательных переходах, что обеспечило отсутствие в спектре поглощения облученного кристалла мешающей ¿^""-полосы благодаря двухквантовой фотоионизации %-ЦО генерируемым" излучением и излучением накачки. Коэффициент поглощения активного элемента на длине волны 640 нм, на которой расположен максимум З^-полосы, составил 0,9 см"'1'. Размеры кристалла обеспечивали близкое к равномерному по объёму распределение накачки bá§,íno-лосве Температура лазерного осветителя с активным элементом поддерживалась при i'k)o0. Лазер накачивался импульсом излучения ламп ИНП-5/75А1 с длительностью на полувысстс1^=?15 мкс и энергией разряда до 100 Дд. Между лампами и кристаллом устанавливался отрезающий фильтр из оптического цветного стекла 0C-I4, который имел пропускание 50$ на Л=575 нм и практически не пропускал изучение с Л< 550 нм. Без спектральной фильтрации генерация не возбуждалась.

Для неселективного резонатора достигнуты порог по энергий электрического разряда ~30 Лд /мощность МВт/, энергия импульса генерации 14 мД« и длительность 17 мне. Полоса генерации шириной 20 нм расположена вблизиХ= 0,92 мкм. При частоте следования импульсов I импульс в 5 минут и превышении порога в 2 раза генерация была стабильной в течение двух часов, при превышений: порога в 3 раза к.п.д. падал. Позднее для лазера на Uif: '•{Цс*^) с ламповой накачкой наш достигнут порох' по средней за импульс разряда электрической мощности ~0,5 кВт /глава 4/.

В первом лазере с ламповой накачкой на кристалле UF со стабильными З^-ЦО использовались кристаллы L¡F-0H~'á¿+3 изготовленные по разным технологиям в ТОЙ им. С.И» Вавилова /г* Ленинград/ /тип А/ и в ШШФ при Иркутском госуниверсктете км. А.А. Жданова /тип Б/. Активные элементы накачивались через светофильтр 00-14 импульсом излучения ламп ИНП2-7/120 длительностью по основанию ~60 мкс., Для образцов А и Б в недисперсионных резонаторах получены пороги генерации по энергии электрического разряда ~600 Др., энергия в импульсе генерации 10 мБд и 8 мШ соответственно, длительность - 12 мкс. Полосы генерации кристаллов А и Б шириной 20 нм находятся на длинах волн 0,96 и 0,94 мкм соответственно. Диапазон перестройки длины волны для образца А при превышении порога наЯ= 0,96 мкм в 2 раза составил 0,89 -ь

1,03 мкм.

В итоге показано, что различия в технологии изготовления имевшихся кристаллов малосущественны. Более важен тип центра.

В главе 4 представлены эксперименты по исследованию: I/ условий получения квазинепрерывной генерации с длительностью ~1 мс в лазерах на ЫТ сЗ^Цр [в, 7]; 2/ наведенного поглощения в кристаллах ЫГ-ОЮ^в полосе генерации при ламповой накачке [8].

При исследовании квазинепрерывной генерации использовались кристаллы типичных размеров 3x3x80 мм с различной сте-

пенью контраста рабочей полосы поглощения, в частности, кристалл I с коэффициентами поглощения на длинах волн 600 нм и 535 нм, на которых расположены максимум ^полосы и провал в спектре поглощения между -полосами, соответственно равными 2,9 и 2,2 см"*. Использовался также кристалл МР^З^+З^) /кристалл 2/, коэффициенты поглощения которого на длинах волн 640 нм и 520 нм, на которых соответственно находятся максимум ^"¿полосы и провал в спектре поглощения, составляют 3,2 см и 0,9 ои"1. Если это не оговорено, кристалл I исследовался при комнатной температуре, кристалл 2 - при температуре 7°С, длительность импульса накачки на полувысоте составляла 0,20 мс. Излучение накачки фильтровалось оптическими цветными стеклами типов КС, ОС, 1С с относительно резкими коротковолновыми границами спектров пропускания ЛГр, за которые условно принимались дли ш волн, на которых пропускание составляет 5С$ от максимального, близкого к 10($. Уровни пропускания 0,01 отстоят отЛГр примерно на 20 нм.

В первую очередь определялись зависимости пороговой энерши электрического разряда \0-р от Я^. Для 1фисталла I порог минимален пргА,Гр-565 нм, для кристалла 2 - в диапазоне от 525 до 565 нм. При увеличении длительности импульса накачки 5 от 0,20 мс до 1,04 мс положение минимума кривых Е^ /Лгр/ на оси Л-Гр и минимальная пороговая мощность электрического разряда Рпар> Усредненная по его длительности, сохраняются. Для кристалла I рмин составила 0,90 МВт, для кристалла 2 - 0,50 МВт. Положение минимума зависимости Е^р Арр/ на-Я-^ = 565 нм является, как мы установили, типичным для кристаллов ЫР-ОЮЗ^С В целом подтверждено, что генерационные характеристики актива« элементов улучшаются с ростом контраста рабочей полосы.

При использовании оптимального фильтра с А™ = 565 ян по ме-

ре увеличения длительности импульса накачки 5 от 0,20 мс до 1,04 мс и сохранении средаей за импульс мощности электрического разряда происходит монотонное увеличение длительности импульсов генерацииТген беэ_ проявления насыщения» Для кристалла I при Л-Гр= 565 ям в случае температур 20°С и 7° с нами достигнуты длительности Тген 0,53 и 0,65 мс при энергии импульсов Ерен 3 и 4 мДж соответственно, а для кристалла 2 в случаев 7° С достигнута Гген = 0,9 мс при ЕГен = 36 ыДк против ОД мс, достигнутой до наших работ» Получение длительности мо стало возмож-

ным благодаря высокому контрасту ^-полосы в спектре кристалла ЫГ:(%><ГЯЧ .

В случае накачки кристалла L^F-OH~¡ импульсом излучения ламп с Т"о,5 ~ 1050 г'ганимУМ кривой ЕЦОр Арр/ находится на Л— -460 нм, а ширина кривой по уровню двух минимальных порогов составляет 170 нм - в ~1,5 раза больше по сравнению со случаем Тф 5 = мс, т«е, зависимость менее селективная.

В ходе выявления причин повышения порога генерации лазера на ЦР0Н~: при сдвиге X от 565 нм в. коротковолновую область наш установлено, что зависимость отЛГр усиления кристалла I на длине волны генерации 0,96 мкм имеет максимум вблизи А^^ = 0,55 мкм. Для более коротковолновых фильтров оно начинает быстро падать, хотя интенсивность З^-лшинеоценции кристалла в поперечном направлении, в котором практически отсутствует самопоглощение, со сдвигом Х^ от 575 нм до 400 нм монотонно растет, возрастая примерно в 2 раза» Таким образом, причиной повышения порога генерации вплоть до её срыва при расширении спектра накачки в область длин волн Х< 565 нм является наведенное поглощение /н.п„/ на длине волны генерируемого излучения. Этот вывод подтвердили его прямые измерения методом зондирования.

С целью выявления происхождения и.п. в кристаллах при ламповой накачке исследовались его спектрально-энергетические, временные и температурные характеристики. Использовался ряд кристаллов с широкими диапазонами изменения размеров, погло-щення в 5^-полосе и фоне под ней.

Зависимости коэффициента наведенного поглощения кш на А = = 0,96 мкм отА^р, полученные при фиксированных электрических энергиях накачки характеризуются существованием длинно-

волновой границы, которая практически не сдвигается при изменении анергии накачки в широких пределах и находится в окрестно-

стиЯ^ = 575 нм. Эта граница коррелирует с положением минимума кривой Ец0р Арр/. При сдвиге Х^ от 575 нм в коротковолновую область коэффициент кш монотонно растет до Л-^ « 440 нм и далее на интервале 40 нм резко возрастает /в 5 * 10 раз/ и может достигать, в зависимости от кристалла и Ец^, значение 0,3 0,6 см""*, что свидетельствует о включении дополнительно} эффективного механизма наведения поглощения.

Коэффициент кш слабоселективен в исследовавшемся спектра; ном диапазоне 0,91 + 1,02 мкм, лежащем в полосе генерации, а I Х - 0,6328 мкм он в несколько раз меньше.

В широких диапазонах изменения длительности импульса нака* ки и н.п. не зависит от времени, за которое данная энергия высвечена. Связано это прежде всего с тем, что длительное^ импульса накачки намного меньше времени жизни н.п. / >50 мс/.

Зависимости кнп/Екак/ в случаях Яр, равных 520 нм и 400 * и расположенных на крыльях интенсивной /^^/-полосы с максим} мом на А~ 450 нм, характеризуются уменьшением скорости роста V с увеличением Енак, по меньшей мере, в 10 раз. Подобный характер имеют и зависимости К^/Е^/ для 520 нм вплоть до 56? Такого рода особенность может быть связана с увеличением гяубя ны проникновения внутрь кристалла излучения накачки с длинами волн, лежащими на крыльях % /-полосы.

В случае сокращения длительности импульса накачки Тле от сотен микросекунд до —10 икс пороговые энергии накачки снижают ся с сотен джоулей до десятков джоулей и коэффициент наведенно го поглощения уменьшается на порядок. В результате оптимальная по порогу коротковолновая граница спектра широкополосной накач ки по мере падения наведенного поглощения сдвигается из желтог участка спектра в синий - вплотную к фиолетовой области, где проявляется гораздо более эффективный механизм наведения поглощения.

В зависимостях коэффициента к^от времени после окончания импульса накачки, снятых дляЯ^ от 400 нм до 520 ки, присутствует короткоаивущая неэкспоненциальная компонента с временем существования 0,1 0,2 с и додгояшвутцая экспоненциальная компонента с временем релаксации Гр=6,4 ± 0,9 о. В случае Лрр = = 400 нм зависимость кш /V содержит таете экспоненту с 1^=0,9 ± 0,03 с. Короткоживущя компонента при ХгрАОО нм по величине заметно превосходит две другие и с увеличением Е^ быстро нас щается. Характерное время полураспада наведанного поглощения Т

зри сдвиге ЛГр от 400 нм к максимуму -полосы растет от

50¿ 5 мс до 3,0.±0,3 с, а далее при сдвиге до 520 нм умень-дается до 0,8 ±0,3 с. При приближении температуры кристалла к температуре,-- при которой начинается его необратимое обесцвечивание в T¿- 0~~-полосе /87°С/, время жизни н.п. для А^ в области максимума /З^З^/ -полосы уменьшается до десятков миллисекунд.

Характеристики н.п. существенно зависят от положения АГр относительно Щ*^/-полосы /Я, = 450 нм/. Так, длинноволновая граница спектра возбуждения н.п. /в окрестности 575 нм/ близка к длинноволновому краю '^-полосы /570 ны/. Время полураспада н.п. наибольшее для А^ в области максимума /^Щ,/ -полосы» Насыщение энергетической зависимости к^ /Е,,^/ имеет место для ЛГр на крыльях этой полосы. Относительный вклад в ккд его долгокивущей компоненты с Тр=6, 4 с наибольший, а относительный рост кт с нагревом наиболее быстрый для в области максимума /З^ Ф^ / -полосы.

Нами проанализировано, не инициируется ли процесс наведения поглощения импульсным нагревом поглощенным излучением накачки. При квазистатическом нагреве одного яз кристаллов UF-OH до 100° С величина поглощения наА= 0,96 мкм не выходила за пределы 10-ЬI,5Í« В случае А.^ = 575 нм и ЕНЙК = 900 Д* усреднён-шй. по объёму кристалла импульсный нагрев, по выполненной оценке, не превышает 26°С, локальный ~52°С, и н.п., обусловленное нагревом, находится на уровне среднеквадратичной ошибки его измерений В случаяхАГр= 565 ей, Е^ <= 200 Дк и 400 нм^ sí 520 нм, Бнак = 50 Дж нагрев зондаруешй зоны заметно меньше, чем при Ат_г;; = 575 нм, Е^^ = 900 Дк, тем не менее величина н.п.

а щглХГТ/ - 400 hm.'Ejj^ = 50 Дж оно достигает 80$. Процесс наведения"поглощения иницируется, т.о., не импульсным нагревом, а световым возбуждением центров окраски.

ВЫВОДЫ

Основные результаты и вывода диссертационной работа сводятся к следующему:

I. Систематически исследованы энергетические, поляризационные и спектральные характеристики лазеров на UF'i^r*^^) с импульсно-периодическим возбуждением второй гармашжой ИАГ:М43--лазера, исследована стабильность их к.п„д» Спектр генерации ла-

зеров на э лектронно-ко ке бате льдах переходах 'fz~W bUF, генерирующих при комнатной температуре, расширен в коротковолновую сторону от 0,840 ыж до 0,815 мкм. Установлено, что для увеянче ния ресурса работы лазера на UF¿ез смены активной зоны с одного рабочего дня / ~10 часов/ до месяца /сотни часов/ достаточно охладить активный элемент до температуры t°= - 20° С, при которой вероятность переориентации и скорость распада ^-ЦО существенно уменьшаются,

2. Впервые осуществлено свипирование длины волны /частоты/ излучения лазера на кристалле с rF-ЦО и достигнута скорость свил рования ~600 см-1/мкс..

3. Впервые осуществлено ламповое возбуждение генерации в лазерах на кристаллах LiF с термонеустойчивыми и со стабильными

4. Установлено, что в случае оптимальной по порогу фильтрации. спектра широкополосной /ламповой/ накачки лазера на LiF-OH'"^ при увеличении длительное«! импульса накачки на полувысоте от 0,2 мс до 1,0 мс и сохранении средней за импульс мощности накачки длительность импульса генерации растет без проявления насыщения.

5. Для лазеров на кристаллах с îF-ЦО с ламповой накачкой влез вые осуществлен режим квазинепрерывной генерации длительностью

~1 мс.

6. Для лазеров на UF-0H~î3^+ с ламповой накачкой установлено, что при сокращении длительности импульса накачки на полувысоте от сотен микросекунд до ~10 мке оптимальная по порогу коротковолновая граница спектра накачки сдвигается из желтого участка спектра / ~565 нм/ в синий / ~460 нм/ вследствие значительного уменьшения наведенного поглощения, при этом пороговая мощность накачки изменяется несущественно«

7. Обнаружено и систематически исследовано поглощение, наводимое в полосе генерации кристаллаширокополосным излучением накачки. Установлено, что- при расширении спектра нака

ки в фиолетовую область наряду с механизмом наведения поглощения с временем релаксации -6 с проявляется гораздо более эффективный механизм наведения поглощения с константой релаксации ~Ю*"2 с. Показано, что процесс наведения поглощения инициируется световым возбуждением центров окраски.

8. Выполненные исследования использованы для оптимизации

принципиальной схемы и конструкции коммерческих лазеров на ра-диационяо окрашенных кристаллах фтористого лития серий "Спект-рок-ЦО" и "МАДСАН".

---- В Дтжложении приведены схема и генерационные параметры коммерческого лазера "МАЛС0-201" [sj. Лазер имеет каналк -UF: (Зъ—Зъ*) а LiF:^",K0T0pKe накачиваются зторо! гармоникой и основной частотой имяульсно-периодического лазера на РТАГ : / S) ~ 12,5 Гц/, перестраиваются по Л в диапазонах 0,£4 * 1,10 дам и 1,09 т- 1,24 мкм с шксимэяькшж к.п.Д. 8% и IO& соответственна при c~er~ca;ii-.Hof ширине «злучеаия до ü,K см4 i: ллате&-ности генерируемых импульсов 5 * 30 не. Удвоитель частоты позволяет получать с э«£фект2внйетъэ когерентное излучение в диапазонах 0,42 0,55 мки и С,545 + С,62 глкм.

СПИСОК 0ПУБЛКК0ВАНШХ РАБОТ

1. Саскевич H.A. Генерационные характеристики лазеров на кристаллах йРС^З^"): Препринт / Институт физики АН БССР- - Минск, 1984. - 43с.

2. Басаев Т.Т., Карпушко Ф.В., Миров СсБ., 'эдрозоь В.П., Саскевич H.A., Сикидан Г.В., Тарзненко В.В., йкадаревлч АЛ. Энергетические г спектральные характерно гаки лазеров на UF- Щ^З^)

2 L¡F'-iF£~ при высокой интенсивностях накачки // ^атериааз 17 Всесоюзной конференции /Новосибирск, тЭ83/„ Новосибирск; Изд. ИТФ 00 АН СССР, 1984. - С. 83 * 20.

3. Карпувко Ф.З., йзекезич H.A. Свип-лазер до центрах окраски

в кристалле // Тезисы докладов на Г? Всесоюзной конференции "Оптика лязеров" /Ленинград. 1980/. - Ленинград, типография ГСМ, 1979. - С. 157,

4. Карпушко Ф.З., Саскевич H.A. Свширование спектра resepeqö лазера на центрах окраски // Письма в ЕТФ. - 1980. Т. 6, вкл. 5„ - С. 264 * 267~.

5. Карпушко <¿.3., Саскевич H.A., Синицьш Г.В. Лазер на кристалле U\F'.fz о лашово£ накачкой; Ярепринт / Институт физики АН БССР. - Шнек, 1985. - 13 с.

6. Саскевич H.A.. Сииицын Г.В. Исследование квазинепрэрывного лазера не UF-f^c ламповой накачкой: Препринт / Институт физики АН БССР. - Минск, 1990. - 23 с.

7. .Карпушко Ф.В., Сишцын Г.В., Саскевич H.A., Морозов В.П.,

Ясюкевич A.C. Спектрально-энергетические параметра лазеров на центрах окраски при широкополосном возбуждении // Материалы У Международной конференции "Перестраиваемые лазеры" /Иркутск, 1959/. - Изв. кБ. СССР, сер. фаз. - 1930. - Т. 54, » 6. - С. 1456 *■ 1473.

8. Карпушко &.Е., Саекевич H.A., Синицын Г.З. Наведенное поглощение в кристалле LiF-0H";%+ при ламповой накачке // Журнал прикладной спектроскопии. - 1935. - Т. 62, & X. - С. 156 -163.

9. Еас-иев Т.Т., Карпушко &.В., Кулазик С.М., Миров С.Б., Морозов В.П., Моткяк B.C., Сасневкч H.A., Синкцык Г.В. Автоматизированный перестраиваемой лазер на радаационно окрашенных кристал лах фтористого лития "ШЛСАН-ЗС'1" // Журнал прикладной спектроскопии, - 1987. - Т. 47, Ä 4. - С. 682 ч- 685.

РЕЗЮМЕ

САСКЕВМ НИКОЛАЯ АЛЕКСЕЕВИЧ

- -ШНРАЩОНШЕ.ХАРАКТЕШСТШ ЛАЗЕРОЗ НА КРИСТАЛЛАХ

Ключевые слова:, лазер на , переориентация Ц^-ЦО,

свипирование спектра, ламповая накачка, квазинепрерывная генерация, наведенное поглощение.

Работа посвящена исследованию лазеров на кристаллах LiF: Цели: оптимизация характеристик лазера на U F > соз-

дание свет-лазера на кристалле с iF-ЦО, создание лазера на MF-'^ с ламповой накачкой, возбуждение в них генерации длительностью

мс и выяснение причин уменьшения их к.п.д. при расширении спектра накачки. Лазер на WFî накачивался второй гармо-

никой ИАГ:Мй-лазера с энергией в импульсе до 50 мДж. Спектр лазера на иР-0Н!?£+'сви1шровался интерферометром Фабри-Перо в резонаторе с пьезоэлектрическим управлением базой и анализировался спектрохронографом. Для лампового возбуждения генерации в l-iF-'J^-лазерах излучение ламп фильтровалось. Исследовалось влияние спектра и длительности широкополосной накачки ка порог и длительность генерации лазеров HaUF^t влияние спектра накачки на люминесценцию 9^-ЦО в LiF-0H":%t Использовались промышленные оптические и электрические измерительные приборы. Для лазеров на электронно-колебательных переходах з UF при комнатной температуре впервые получена генерация в участке спектра 0,815 j- 0,840 мкм. Ресурс работы лазера на Ыг'-Щ^Щ?) без амены активной зоны понижением -температуры до - 20° С увеличен с одного дня /~Ю часов/ до месяца /сотни часов/ благодаря существенному уменьшению вероятности переориентации Впервые созданы свип-лазер на^-ЦО, лазер с ламповой накачкой на UF'^ и лазер с ламповой накачкой на iF-ЦО, генерирующий импульсы длительностью ~1мс. Обнаружено и исследовано наведенное поглощение в кристалле UF-0Hв полосе генерации при ламповой накачке. Процесс наведения поглощения инициируется световым возбуждением ЦО. Результаты работы использованы при конструировании коммерческих лазеров серий "Спектрон-НО" и "МАЛ-САН".

р г з ю м е

САСКЕВ1Ч М1КАЛАЙ АШКСЕЕВ1Ч

ГЕНЕРАЩЙШЯ ХАРАКТАРЫСШ1 -ЛАЗЕР# НА КРЫЖА ШХ UF-.fi

Ключавня. ояоаы: лазер на , пераарыентадая 3^-ДА, св1-

паванне спектра, лямпавая накачка, кзазхнепрэрыУшя генерация, наведзекае паглынанне*

Работа прысвечана дасяедаванню дазераУ на кркшталях *эты: 8Пй5М1зацыя характеристик лазера на , етварг

не СВ1П-лазера на ЗГ-цэнтрах афарбоУкх / У-ДА/, стварэнне лазе-раУ з лнмпавай накачкай на узбудаанне У IX генерацЩ

працягласцю ~1 ;лс I высвятленне пр»чкн памяшпзння гх к.к, дз. пры пашрэнн! спектра накачк!. Лазер на МР•'(%"*■ ^г) какачвау-ся другой гармон|кай 1АГ :(\/с!3+-лазера з энергхяй 'у {Шуяьсе да 50 гдйк. Спектр лазера на ЫР-0Н~:^+св1паваУся 1Нтврферометрам Фабрк-Деро У рэзанатары з п"е заэлектрычнкм кЛраваннем базай, вымяраУся спэктрахранографам. Для ляшавага узбудеання генерации У ЫВ^-лазерах выпраменьвакне лямп ф1льтравалася. Дзследа-ваЛ1ся уплыу спектра | прадягласцх шырокзпалоснай накачк! на парог 1 працягласць генералы г лазера? на ЫР:^ упшУ спектра накачк! на лш|несцэнцы» З^-ЦА У ВыкарыстоУвал!«

прамыслэвыя аптнчныя I электрычныя приборы. Для аазераУ на электроЕна-вагальных переходах 2т-Ц А у ЫГ пры пакаёвай тэте-ратуры Упершыню атрымана генерация на Участку спектра 0,815 ч- 840 ш. Рэсурс работа лазера на МР;^-»?^) без зменк актыУ-най зоны пакЬкэннек тэмпературы да -20°С павяд|чанк з аднаго дня / ~Ю гадз1 к/ да месяца /сотн{ гадз! н/ дзякуючы ¡стотна.чу ламяншэнш верагоднасц! пераарые нтацы? %-ДА. Упоршыао створа-ш: св?я-яазер на У-ЦА, лазер 5 дяшавай накачка! на ЫГ: I лазер з 'лямпав&й накачкай на 1Г-ДА, якх генернруе 1шулъсы працягласцю мс. Выявлена I даследавана наведзенае паглынан-не у кршятал! паласе генерацых пры ляшавай накачцы.

Працэс навядзення паглынання |н{цы!руецца светавым узбудааннем ДА» Внн|к| работы выкарыстанк пры канструнванн1 камерцыйных лазера? серий "Спектрон-ЦО" 1 "МАЛОАН".

ty

RESUME SASKEVICH NIKOLAI ALEKSEEVICH - THE CHARACTERISTICS OP LASERS ON LiFrFg-CRYSTALS....

Key words: LiFtF^-laser, F^-reorlentatlon, spectrum sweeping, flash-lamp pumping, quasi-cw laser action, induced absorption.

The dissertation is devoted to the investigation of the LiFrFg-lasers. The aims: optimization of the LiF:(Fg - laser

characteristics; elaboration of a F-colour center sweep-laser; elaboration of flash-pumped L1F ^-lasers, including these emitting pulses ofs 1 ms duration; clarification of the LiFrF^-laser efficiency dependence on the pumping spectrum range. The LiF:(F2 -Fg)-laser was pumped by the YAG:Nd3+-laser second harmonic with the pulse energies up to 50 mJ. The LlF-OH~:F^-laser spectrum was sweeped by an intracavlty Fabry-Perot interferometer with piezoelectric tuning and was measured by a spectrochronograph.. For the flash-lamp excitation of generation in LiFrF^-lasers the flash spectrum was filtered. The flash duration and spectrum influence on threshold and duration of generation In LiFrF^-lasers and the flash spectrum influence on F^-O^-lumlnescence in the LiF-OH^F*-crystals have been investigated. Industrial optical and electric devices were ' used for measurements. The emission in the 0.815 v 0.840 pm spectral region was obtained for room-temperature LiFrFg-lasers for the first time. The work time of the LiF^F^Fg)-lasers with unchanged active zone in crystal has been increased from one day (=¡10 hours) to one month (hundreds hours) by cooling of crystal to -20°C as a result of a significant F*-reorientation probability decrease. The F-colour center sweep-laser, the flash-pumped LIFiFg-laser and the flash-pumped F-colour center laser emitting the pulses of * 1 ms duration were elaborated for the first time. The absorption induced by flash in the LiF:0H~:Fg-crystal within Its gain spectrum was revealed and Investigated. The induced absorption is initiated by the light excitation of colour centers. The dissertation results were used for design and construction of commercial lasers of the "CneKTpoH-UO" and "MAJiCAH" series.