Исследование новых фторидных лазерных сред, активированных неодимом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НАУМОВ Александр Кондратьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ФТОРИДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД, АКТИВИРОВАННЫХ НЕОДИМОМ

(01.04.05 - оптика)

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

' Казань - 1998

Работа выполнена в лаборатории Квантовой Электроники и Радиоспектроскопии Казанского государственного университета

Научные руководители: кандидат физико-математических наук, доцент Столов А.Л. кандидат физико-математических наук, с. н, с. Дубинский М.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Самарцев В.В. кандидат физико-математических наук, Денисов И. Г.

Ведущая организация: Научный центр лазерных материалов и технологий ИОФ РАН г. Москва

Защита состоится (у 1998 г. в / У час, на засе-

дании диссертационного совета Д 053.29.09 при Казанском госуниверситете, по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, (т. 8432-315-529).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГУ. Автореферат диссертации разослан " /•/ " /' 998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, К.ф.-м.н. ассистент

Сарандаев Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди кристаллических лазерных матриц особое внимание уделяется фторидам, имеющим по сравнению с оксидными кристаллами более широкий оптический диапазон прозрачности, увеличенный как в длинноволновую, так и коротковолновую области спектра, высокую технологичность при их выращивании и обработке, низкий коэффициент температурного расширения, определяющий малую величину термооптических искажений, низкий коэффициент нелинейности, и т.д. Наиболее широко используемыми фторидными кристаллами в серийных лазерах являются кристаллы с упорядоченной структурой, такие как 1лУР4:Ш3+, ЬаР3:Ш3+. В основном на этих кристаллах получают генерацию в области 1 мкм, однако известны работы, в которых осуществлена генерация в УФ [1-3] и даже вакуумной УФ [4-5] областях, причем поиск новых фторидных кристаллов, активированных Ыс13+, способных генерировать в вакуумной УФ области, продолжается [6-8].

Несмотря на большое число исследованных лазерных матриц, параметры, по которым они могли бы сравниваться между собой наиболее корректно, до последнего времени не были определены. По нашему мнению, основным параметром, объективно определяющим свойство активной среды, является не порог генерации, значение которого зависит от конкретных условий эксперимента, а эффективное сечение лазерного перехода. Однако сведения об эффективном сечении в известных нам публикациях зачастую отсутствуют.

При поиске новых лазерных кристаллов для определения их лазерных параметров обычно выращивают кристаллы больших размеров, достаточных для помещения в стандартный квантрон, и измеряют порог генерации, КПД, коэффициент неактивных потерь и др.. При такой методике требуются большие затраты ростовых, исследовательских, и материальных ресурсов, мало окупаемых, особенно если материал оказывается не перспективным.

Учитывая сказанное, разработка новых методов поиска лазерных кристаллов и определение лазерных параметров на первом, этапе исследований, по образцам малых размеров является актуальной задачей, так как до сих пор сохраняется потребность в кристаллах, как с новыми длинами волн генерации, так и с высокими эксплуатационными характеристиками.

Цель работы. Целыо настоящей диссертации является разработка методики поиска лазерных кристаллов по образцам малых размеров и невысокого оптического качества, используя данные генерационных экспериментов при лазерной накачке их в малые области (( 100 мкм).

Достижение поставленной цели потребовало предварительного решения технических задач, а именно:

- создания автоматизированного лазерного стенда;

- разработки методик проведения экспериментов на стенде.

Образцы некоторых новых кристаллов, исследованных в настоящей работе, были любезно предоставлены Хайдуковым Н.М. (Институт общей и неорганической химии г, Москва).

Для решения указанных выше задач необходимо было создать специальные оптико-механические узлы, электронные платы, а так же разработать алгоритмы программ, управляющих экспериментом. Научная новизна результатов

1. Разработана методика для оценки перспективности применения новых кристаллов в качестве активных сред для лазеров по образцам малых размеров, получающихся на этапе начальных экспериментов по их выращиванию.

2. Создан автоматизированный лазерный стенд для исследования спектроскопических и лазерных свойств в различных участках поперечного сечения активного элемента. Использование фотодатчиков с пиковыми детекторами позволило регистрировать энергию излучения одновременно в различных точках оптической схемы после воздействия лишь одного лазерного импульса. Для изменения энергии накачки применен оптический аттенюатор оригинальной конструкции, который позволял монотонно менять энергию (мощность) накачки в автоматическом режиме. Аттенюатор не изменял геометрии луча, а так же распределения энергии в пятне накачки.

3. Впервые получены спектры люминесценции переходов 4F3/2-4Ij иона Nd3+ в кристаллах KYF4, K2YF5 и CSY2F7, построены схемы штарковских уровней 4F3ra и 4I| i« и дано соотнесение отдельных линий спектра конкретным переходам при комнатной температуре. Измерены концентрационные зависимости времен релаксации терма 4F3/2 и определены оптимальные концентрации активатора в лазерных элементах.

4. Впервые исследованы лазерные свойства перехода 4F3/2 -41ц/2 иона Nd3+ в кристаллах: KYF4, CsY2F7 и K2YF5, при импульсном ламповом и непрерывном возбуждении генерации.

5. Впервые осуществлена перестройка длины волны генерации лазера, на кристалле KY3Fio'.Nd3+ в области 1053.6 - 1059.1 нм, с применением внутрире-зонаторного дисперсионного элемента и непрерывной накачки активной среды лазерными диодами.

Научно-практическое значение работы заключается в реализованной методике исследования генерационных свойств новых активных сред при лазерном возбуждении, позволяющей определять генерационные характеристики кристаллов на образцах малых размеров.

' Выявленные с помощью данной методики три новых кристаллических фторидных активных среды, по их основным лазерным параметрам (сечение перехода, порог генерации), сравнимы с популярным в квантовой электронике фторидным кристаллом - LiYF4:Nd3+, а по ширине полосы люминесценции новые кристаллы втрое превосходят его соответствующий параметр. Это позволяет создавать на основе новых кристаллов лазеры с широким диапазоном перестройки длины волны излучения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры и лаборатории Радиоспектроскопии и Квантовой Электроники КГУ, на VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990 г.), IX Всесоюзном симпозиуме по химии неорганических фторидов (Череповец, 1990г.), 4ой национальной конференции с международными участниками "Lasers and their application" (Пловдив Болгария 1990 г.), XIV международной конференции "Chogerent and nonlinear optics '91" (Ленинград, 1991 г.), конференции OSA "Advanced Solid-State Lasers '92" (Santa Fe, New Mexiko, USA, 1992 г.), 18ой Международной конф. по квантовой электронике (Вена, Австрия 1992 г.), 4ой международной конференции "Laser Applications in Life Sciences" (Jyvaskyla, Финляндия, 1992), конференции OSA "Advanced Solid-State Lasers '97" (Вашингтон, USA, 1997 г.). конференции "CLEO'98" (S.Francisco USA 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 в реферируемых изданиях, и 8 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержит 148 страниц машинописного текста, включающего 50 рисунков, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 82 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении:обоснована актуальность,темы, приведено состояние изученности проблемы, определены цель и задачи исследований, сформулированы научные положения, выносимые ^а заищту, приведено краткое содержание работы.

В первой главе приводится краткий обзор известных лазерных каналов иона Ыс11+ в кристаллах, а так же излагаются современные требования к лазерным материалам. Выбираются параметры, наиболее полно характеризующие материалы как лазерные. Излагаются существующая и предлагаемая методики поиска новых перспективных лазерных материалов.

Во второй главе описывается использованная в работе экспериментальная техника, а именно: спектрографы и две установки для получения лазерной генерации - одна при импульсной ламповой накачке, другая, автоматизированная, при лазерной, как импульсной, так и при непрерывной накачке.

Для спектроскопических исследований применялись два спектрографа: один с высоким разрешением - ДФС-452 - для регистрации спектров вынужденного излучения и один с низким - монохроматор МУМ-2, переделанный в спектрограф, - для регистрации спектров поглощения и люминесценции. В качестве фоторегистратора в обоих спектрографах использовался оптический многоканальный анализатор на основе фотодиодной линейки ЛФ-1024Б, что позволяло регистрировать спектры спонтанного и вынужденного излучения после действия одиночного импульса.

Особенностью установки для получения генерации при импульсном ламповом возбуждении являлся квантрон с воздушным охлаждением, специальной конструкции. В квантроне предусмотрена возможность установки образцов без наклейки на них установочных элементов, что позволило исследовать образцы с малыми оптическими длинами до 0.5 см. На этой установке проводились пер-

вые эксперименты по получению генерации на новых кристаллах, определялись их удельные пороги и измерялись длины волн генерации.

Большая часть главы посвящена описанию автоматизированного лазерного стенда, используемых в нем нестандартных элементов и его возможностей, выходящих за пределы первоначально поставленной цели - получения генерации и определения ее параметров на образцах малых размеров при лазерном возбуждении. Основными элементами лазерного стенда являются: до 6 фотоприемников, установленных в различных точках оптической схемы, на основе фотодиодов ФД-17 с пиковыми детекторами, запоминающими амплитуды одиночного лазерного импульса. Их последующий автоматический опрос позволял получать информацию об энергии в цифровом виде. Двухко'ординатный столик, используемый в установке, автоматически Перемещал образец кристалла по двум координатам плоскости, перпендикулярной оси резонатора. Это обеспечивало возможность поиска лучшего генерирующего канала по поперечному сечению образца. Оптический аттенюатор (на основе двух пластин из кварца, поворачиваемых встречно друг другу), обеспечивал плавное ослабление излучения накачки до 20 дб, что было достаточно для построения зависимостей мощности (энергии) генерации от мощности (энергии) накачки, в лучшем генерирующем канале исследуемого образца.

Кроме того, установка позволяла ставить эксперименты и. получать информацию, которую было невозможно получать раньше, в частности: о топографии распределения потерь и концентрации примеси по поперечному сечению образца с

разрешением порядка 100 мкм, о па- Рис , топографическая карта энергии генера-

раметрах генерации В локальных Ц1Ш образца с поперечными размерами - 3x3

мм и длиной 6.5 мм.

участках (рис.1) и т. д.

В этой же главе описываются: методы и условия выращивания образцов для исследований, приводятся типы симметрии их кристаллических структур,

входимость активатора в кристаллы, их подготовка для спектроскопических и лазерных экспериментов, и т.п.

В третьей главе описаны результаты спектроскопических исследований перехода 4Р3/2 - 41цд иона Ш31" в кристаллах, в основном, при комнатной температуре, при которой предполагается эксплуатировать их как активные среды лазеров. Отмечается, что во всех случаях кристаллы не являются одноцентро-выми. Спектроскопические исследования кристаллов КУР4:Ш3^ С5У2р7:Ыс]1+, К2\Т5:Ш3+ и КУзР|0:Ш3+, позволили определить положение исходного штар-ковского подуровня перехода, соответствующего самой интенсивной линии люминесценции (на которой генерация получается в первую очередь), а так же

величины шгарковского расщепления терма 4Рзд. Выяснилось, что для кристал-

.н '

ла КУР^Ыс! самая интенсивная линия люминесценции в области спектра 1,, мкм при комнатной температуре обусловлена переходами с верхнего щтарков-ского подуровня состояния ^3/2, а для остальных кристаллов - с нижнего. На

Таблица 1

Результаты спектроскопических исследований кристаллов, активированных ионами

Параметр kyf4 CSY2F7 k2yf5 KY3Fln

Длины поли линий люминесценции, имеющих большую интенсивность +0.1 (им) 1040.9; 1053.6 1055.0; 1050.1 1047.7 1055.4*

Полуширина линии люминесценции, имеющей максимальную ин-тснсиаиость ±0.5 (см"1) 30.5 40.5 35.5 38

Радиационное время жизни состояния 4Г]/2 (мке) ±5% 650 402 510 380*

Величина расщепления состояния "Рз/2 при Т=300К ±1 (см"1) •■115 153 111 95

коэффициент мржмультиплетного ветвления р„ 0.52 0.56 0.55 0.53

Коэффициент межштаркопского ветвления [}„, 0.25 0.55 0.41 0.47

Показатель преломления па длине полны 1 мкм (оценка) ±10% 1.421** 1.47 1.47 1.49

Оптимальная концентрация иона активатора, х 1020 (см"3) I 20 0.3 0.2

Эффективное сечение перехода 4Рз/2-'11| 1/2- х Ю"20(см2) ±20% 5.3 10.2 10.8 13.1

* Данные из работы Абдулеабирова P.IO и др. (1987) ** Данные из работы Alik and Mcrcle (1993)

нове полученных спектроскопических данных, а также измеренных радиаци-ных времен жизни уровня и коэффициентов межмультиплетного и меж-:арковского ветвления определялись эффективные сечения лазерного перехода — 41ч/2 Для исследованных кристаллов. Так же оценивались оптималь-1е концентрации ионов №13+, необходимые для изготовления на их основе ак-вных элементов, и оптимальные длины в условиях продольной мопохрома-ческой накачки.

Приводятся спектры поглощения кристаллов в области излучения диод-IX лазеров и обсуждаются особенности выбора полос поглощения в спектре, торые наиболее оптимальны для такой накачки.

В таблице 1 приведены полученные спектроскопические параметры ис-едованных кристаллов'.

В конце главы обсуждаются результаты спектроскопических исследова-[й. Отмечается, что при сравнимых прочих спектроскопических параметрах, «уширина потенциально лазерных линий исследованных кристаллов, втрое шьше чем для кристалла 1лУр4:№э+. :

В четвертой главе излагается существующий способ определения коэф-щиента неактивных потерь и эффективного сечения лазерного перехода по, [иным генерационных экспериментов при импульсном ламповом возбужде-1и. Обосновывается возможность применения этого способа для определения зерных параметров из данных, полученных при импульсной и непрерывной лерной накачке.

Описаны генерационные эксперименты с образцами кристаллов (1=0.65 1) при импульсной ламповой накачке, и при непрерывной накачке Аг-лазером.

На кристалле КУзР)0:Ш3+ показано хорошее согласие эффективного се-:ния, полученного из генерационных экспериментов при импульсном и не-зерывном лазерном возбуждении.

На кристалле КУзР|0:Нс13+ продемонстрирована возможность получения ^встраиваемого по частоте лазерного излучения при непрерывной накачке верными диодами с использованием внутрирезонаторного дисперсионного [емента. Реализованный диапазон непрерывной перестройки (5 нм) является ¡кордным для неодим-активированных кристаллов с упорядоченной структу-зй.

В конце главы приводится таблица, в которую сведены лазерные параметры исследовавшихся кристаллов (таблица 2). Здесь же обсуждаются резуль-

Таблица 2

Результаты исследований лазерных параметров кристаллов, активированных Ысг

Параметр КУГ4 С«У2Р7 КУзРю

Концентрация ионов активатора (см"3) хЮ20 5 25 8 1.2

Время„ жизни состояния 4Рзд (мкс) ±5% 305 330 332 350

Длина! полны генерации ±0.1 (им) 1040.9 1055.0 1047.7.,, 1055.3

Полуширина спектра вынужденного излучения ±0.1 (см"') 4.6 5.3 5;4 4.9'

Пороговая энергия накачки при импульсном ламповом возбуждении, приведенная к длине образца (Дж/см) ±5% 6.1 4.4 3.3 2.3

Порог непрерывной генерации по поглощенной мощности на качки Аг-лазером (мВт) ±5% - 95 44 37

Эффективное сечение лазерного перехода х 10"20 (см2) ±20% 2 8.4 7.8 12.1

тагы генерационных экспериментов, и определяется место выявленных кристаллов в ряду известных лазерных материалов. Показывается, что лазерно-спектроскопические характеристики кристаллов сравнимы с характеристиками популярного в квантовой электронике материала: 1ЛУР4:Ыс13+, а по полуширине линии люминесценции лазерного перехода, превосходят его. Если теплофизи-ческие свойства этих новых кристаллов окажутся лучше, чем у кристалла иУР^Ш3*, они могут иметь большую практическую значимость. Исследование этих свойств не входило в задачу настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана методика для оценки перспективности применения новых кристаллов в качестве активных сред для лазеров по образцам малых размеров, получающихся на начальных этапах ростовых экспериментов.

Для получения информации о распределении дефектов, концентрации экватора и параметров л'азйрнои генерации по поперечному сечению активного емента создан автоматизированный лазерный стенд. Использование фотодат-ков с пиковыми детекторами позволило регистрировать энергию излучения повременно в различных точках оптической схемы после воздействия лишь ного лазерного импульса.. Для изменения энергии накачки использован опти-ский аттенюатор"орйгинальной конструкции, который позволял менять энер-ю (мощность) накачки в автоматическом режиме. Аттенюатор не изменял ометрию пучка и распределение энергии в пятне излучения.

Получены и проанализированы высокотемпературные спектры люминес-нции кристаллов КУР4:Ш3+, К2Ур5:Ш3+ и СзУ2Р7:Нс13+ на переходе 4Р3/2 — 1/2 иона Ыс13+ и проведено отнесение отдельных линий к переходам между гарковскими компонентами комбинирующих термов. Показано, что самые [тенсивиые линии в спектрах кристаллов К2Ур5:Ис13+ и СзУ2Р7: Ш3+ в области мкм при комнатной температуре обусловлены переходами с нижнего штар-вского уровня состояния ^3/2, в то время как для КЛТ4: Ш3* - с верхнего. ! концентрационной зависимости времени релаксации терма 4Р3/2 для каждого 1исталла определено радиационное время жизни и оптимальная концентрация тиватора для активного элемента лазерного генератора. Измерены эффектив-,1е сечения для отдельных штарковских линий и показано, что для наиболее ггенсивных из них эффективные сечения близки к значению этого параметра [я Ь1УР4:Ш3+.

Впервые получена лазерная генерация при комнатной температуре на пе-:ходе 4Нз/2 — А\Шг иона Ш3+ в кристаллах: КУР4, СзУ2р7 и К2УР5, (длина об-оцов 0.65 см) при импульсной ламповой накачке. Определены пороговые (ергии накачки, а так же длины волн генерации и полуширины спектров выведенного излучения.

В этих же кристаллах, а так же в кристалле КУзРю'.Ш3+, впервые получе-1 лазерная генерация при непрерывной накачке аргоновым лазером. Опреде-;ны дифференциальные КПД и коэффициенты неактивных потерь в лучшем шале кристалла. Показано что значения эффективных сечений лазерного пе-;хода для кристаллов определенные по данным генерационных эксперимен->в, ниже получаемых из спектроскопических данных. Что связано, по-

видимому, с неполным уметом безизлучательных потерь при спектроскопическом методе определения эффективного сечения.

6. Благодаря большой ширине контура усиления (в 3 раза большей, чем в LiYF4:Nd3+), впервые осуществлена перестройка длины волны генерации лазера на основе кристалла KY3F|0:Nd3+ в области 1053.6 - 1059.1 нм, с применением внутрирезонаторного дисперсионного элемента и непрерывной накачки излучением лазерных диодов.

7. Показано, что исследованные новые фторидные лазерные кристаллы по лазерно-спектроскопическим параметрам (эффективному сечению перехода, порогу лазерной генерации), сравнимы с широко используемой на практике фторидной активной средой LiYF^Nd3*.

Список литературы, цитируемой в автореферате.

1. Дубинский М.А., Наумов А.К. О возможности реализации лазерного потенциала межмультиплетиых переходов Nd3+ в ближней ультрафиолетовой, области спектра, -в кн.: VI Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", JI-д, 2-7 марта 1990. Тезисы докладов. -Л-д, 1990,. с.187.

2. М.А. Dubinskii, R.Yu. Abdulsabirov, А.К. Naumov and V.V. Semashko. Some Restrictions in Obtaining UV-Lasing from High-Lying 4f3-Levels of Nd3+ in Crystals. - OS A Proceedings on Advanced Solid-State Lasers, Santa Fe, New Mexico, USA, Feb.17-19, 1992, L.Chase and A.Pinto, eds. (Optical Society of America, Washington, DC 1992), Vol.13, pp.250-253.

3 Fank D.S. and Eden J. G. Glas-Fiber Lasers in the Ultraviolet and Vizible. //IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics. - 1995, v.l, №3, p. 784-791.

4. Efficient Tunable VUV LaF3:Nd3* Laser. /Dubinskii M.A., Abdulsabirov R.Yu., Korableva S.L., Naumov A.K., Semashko V.V., Cefalas A.C., Sarantopoulou E.// 18th Internat. Quant. Electr. Conf., Vienna (Austria), June 14-19, 1992: Dig. of Tech. Papers. - Vienna (Austria), 1992, ТЫЛ, p.388-390.

5. On the Development of New VUV and UV Solid-State Laser Sources for Photochemical Applications. / Cefalas A.C., Dubinskii M.A., Sarantopoulou E., Abdulsabirov R.Yu., Korableva S.L., Naumov A.K., Semashko V.V., and Nicolaides C.A.. // Laser Chemistry, 1993, v.13, p. 143-150.

. On the Interconfigurational 4(25d-4f3 VUV and UV Fluorescence Features of Nd3+ l LiYF4 (YLF) Single Crystals under F2-Laser Pumping. / Dubinskii M.A., Cefalas ..C.. Abdulsabirov R.Yu., Naumov A.K., Semashko V.V., Abdulsabirov R.Yu., :orableva S.L.. //Opt. Comra: 1992, v.94, p. 115-118.

. Vacuum-Ultraviolet interconfigurational 4f3 — 4fi5d Absorbtion and Emission tudies ofNd3" ion in KYF, YF and YLF Crystals Hosts / Kollia Z., Sarantopoulou Cefalas A.C., Nicolaides C.A., Naumov A.K., Semashko V.V., Abdulsabirov .. Yu., Korableva S.L., and Dubinskii M.A..// J. OSA В - 1994 - v. 12 - №5 - p. 1810814.

. On the 4f3 — 4f25d interconfigurational transitions of Nd ions in K2YF5 and iYF4 crystal hosts. Z. Kollia, E. Sarantopoulou, A.C. Cefalas, A.K. Naumov, V.V. emashko. R.Yu. Abdulsabirov, S.L. Korableva, A. Opt. Com.(l998). v.149. pp.386-?2.

писок работ, опубликованных no теме диссертации

убликации по теме диссертации в реферируемых изданиях: Spectral-kinetic and lasing characteristics of new Nd3+ - activated laser hosts of F-YF3 system. Dubinskii M.A., Khaidukov N.M., Garipov I.G., Dem'ynets L.M., aumov A.K., Semashko V.V., Malyusov V.A.. J.Mod.Opt. (1990), v.37, N8, э.1355-1360.

M.A. Dubinskii, N.M. Khaidukov, I.G. Garipov, A.K. Naumov and V.V. ;mashko. Spectroscopy and Stimulated Emission of Nd3+ in Acentric CSY2F7 Host, ppl. Optics (1992), v31, pp. 4158-4160.

Дубинский M.A., Хайдуков H.M., Гарипов И.Г., Наумов А.К., Семашко В.В.. sY2F7:Nd3+ - новый низккопороговый фторидный лазерный материал.- Изв. кадемии Наук, сер. физ. (1992) Т.56, N12, с.70-72.

M.A. Dubinsky, N.M. Khaidukov, I.G. Garipov, A.K. Naumov, V.V. Semashko. ew Low-Threshold Fluoride Laser Material CsY2F7:Nd3+. Bulletin of the Russian cademy of Sciences: Physics,(USA) (1992) v.56, N12, pp.1895-1897. M.A. Dubinskii, K.L. Schepler, A.K. Naumov, V.V. Semashko, S. L. Korableva, id R. Yu. Abdulsabirov. New CW Low-Threshold Laser for Diode-Pumping Based 1 Nd1+:KY3Fi0. - OSA TOPS on Advanced Solid State Lasers, C.R.Pollock and

W.R.Bosenberg, eds. (Optical Society of America, Washington, DC 1997), Vol. 10, pp. 164-167.

6. M. A. Dubinskii, K. L. Schepler, A. K. Naumov, V.V. Semashko, R.Yu. Abdulsabirov, S. L. Korableva. Diode-Pumped Tunable Low-Threshold CW Nd3+:KY3F|o Laser for Remote Environmental Sensing. - Proceedings of the International Conference on LASERS'97 (New Orleans, LA, Dec.15 -19,1997) , STS Press, McLean, VA, 1998, pp. 690 - 694.

Тезисы докладов:

1. Дубинский M.A., Хайдуков H.M., Гарипов И.Г., Наумов А.К., Семашко В.В., Демьянец J1.H. Гидротермальный синтез монокристаллов пентафторида иттрия-калия - нового материала квантовой электроники. В кн.: IX Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов Череповец 3-6 июля 1990 г. - Тезисы докладов, 1990, ч II, М., с.341.

2. Гарипов И.Г., Демьянец J1.H., Дубинский М.А., Казаков Б.Н., Наумов А.К., Сафиуллин Г.М., Семашко В.В., Хайдуков Н.М. Спектроскопия и вынужденное излучение ионов Nd3+ в монокристаллах KYF4. -в кн.: VI Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", JI-д, 2-7 марта 1990. Тезисы докладов. -Jl-д, 1990,. с. 184.

3. М.А. Dubinskii, N.M. Khaidukov, I.G. Garipov, A.K. Naumov, V.V. Semashko, "Spectroscopy and Iasing of Nd3+ ions in two new fluoride laser hosts", in 4-th National Conference and Technical Exhibition with International Participation "Lasers and their Applications" (October 23-26, 1990, Plovdiv, Bulgaria) , Book of Abstracts,1990, p.51-52.

4. CsY2F7:Nd3+ - The New Low-Threshold Fluoride Laser Material /Dubinskii M.A., Khaidukov N.M., Naumov A.K., Semashko V.V., Garipov I.G. // XIV Internat. Conf."Coherent and Nonlinear Optics %91" Leningrad, USSR, Sept. 24-27, 1991.: Tech. Digest. - Leningrad, USSR, 1991. - v.3. - pp.61-62.

5. M.A. Dubinskii, K.L. Schepler, A.K. Naumov, V.V. Semashko, S.L. Korableva, R.Yu. Abdulsabirov. New CW Low-Threshold Laser for Diode-Pumping Based on Nd3+:KY3F10. - In: Advanced Solid-State Lasers, Techn. Digest (Opt. Soc. of Amer., Washington DC, 1997), pp. 183 - 185.

M. A. Dubinskii, K. L. Schepler, A. K. Naumov, V.V. Semashko, R.Yu. bdulsabirov, S. L. Korableva. Diode-Pumped Tunable LowThreshold CW d3+:KY3Fio Laser for Remote Environmental Sensing. - Presented at the 20-th iternational Conference on Lasers & Applications "LASERS'97" (Dec. 15-19, 1997, ew Orleans, LA), Techn. Digest, p.11 (pap. TH.2).

M. A. Dubinskii, K. L. Schepler, A. K. Naumov, V. V. Semashko, R. Yu. bdulsabirov, S. L. Korableva. CW Diode-Pumped Tunable Nd3+:KY3F10 Laser for ivironmental Sensing. - In: Laser Applications to Chemical and Environmental nalysis (Orlando, FL, March 8-12, 1998), 1998 OSA Techn. Digest Series (Optical >c. Of Amer., Washington, D.C., 1998), Vol. 3, paper LMC16, pp. 78-80.

M. A. Dubinskii, K. L. Schepler, A. K. Naumov, V.V. Semashko, R.Yu. bdulsabirov, S. L. Korableva. Tunable CW Nd Laser with the End Diode Pumping r Remote Environmental Monitoring. - In: Conf. on Lasers and Electro-Optics (San ancisco, CA, May 3-8, 1998), 1998 OSA Techn. Digest Series (Optical Soc. of mer., Washington, D.C., 1998), Vol. 6, pap. CFL7, p. 546.

Подписано к печати 13.11.98 г., формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме», печ. лист. 1. Заказ N.^3". Тираж 100 экз. Лиц. N020052 от 20.12. 1995 г. Типография КФМЭИ, 420066 Казань, Красносельская, 51.



КАЗАНСКИЙ ГОСТ ДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ФТОРЦДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД, АКТИВИРОВАНИИ X НЕОДИМОМ

(01.04.05. омткха)

Днссертаця'я . ндвоявшне ученой £?ея#нн шндадаага фвзяко-магемвгнческях наук

На нравах рукопксв

УДК 539.186

НАУМОВ Александр Ковдрюьемч

Научные руководители:

Кандидат фязико -м атоматшчесжях

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ, ......'».,•...,..,.».......»........................,5

ГЛАВА Г ФТОРИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, АКТИВИРОВАННЫЕ НОНАМИ М* — 1ШРСПШТЙВШЕ ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.............„12

1.1 Лазерную аерехэды ионовШ3*во фтаридных материалах........Л2

1.2 Фторвдные крмсташвд, акгявкр о ванные во нам и М3* «ерсяектнваш активные среды для лазеров

со светодиодной накачкой.....................................>.,.,15

1.3 Выбор лазервих параметров активных сред для сравнения вх между собой в «ель» оценке их практической значимости.., ....19

1,4. Экспериментальные подходы к пояску новых

лазерных материалов........................................................22

ГЛАВА 2. ЭКСдайМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИК А. ОБРАЗЦЫ. ,............ ....21

2.1, Спектрометр с оитяческим многоканальным аиалижором...... Л?

2.2, Установка для проведения экспериментов

с ламповый возбуждением генерздми..................................32

2.3, Автоматизированная установка для яроведевил лазерных эксперимент©», л.,.;, .................................34

2.3.1. Проведение эксгериментов но исследованию оптических и

лазерных свойств образцов актмзвйх сред..............................41

2.3.2, Дополнительные возможности автоматизированной системы ...„48

2.4 Л Образцы.,.................................................51

ГЛАВА. 3. СЙШСТРОдКОНтЕСКШ СВОЙСТВА ЙОШВ ш5*, В КРИСТАЛЛАХ ДВОЙНЫХ ФТОРИДОВ В ЙК ОБЛАСТИ СШЩТР А.... ...»... < .и................................56

3.1 Спектроскопические »шюдоёмяя кристаллов,

активированных ионами неодима...........................................56

3.1.1. Снеетроскодическке исследования кристалла KY3F«¡NC*,........ 61

3.1.2. Стщтттчжж® исследования кристаллаOF4:Ndi\..........б?

3.1.3. СяектрвскойЁческяе исследования кристалла ,CsY2F?:N«P......,„<73

3,14. €некгросконическке исследования кристалла KaYFjiNíP,........ Ж

3.2. Поглощение кристашюв в области снектра, перекрываемой излучением современных светодиодных источников накачки........ 85

3.3. Оценка по данный спектроскопических исследований порогов возбуждения лазерной генерации на кристаллах ори импульсной монохроматической накачке ...................................................88

3.4. Оптимальная длина кристаллов при продольной лазерной накачке....................................................................................90

3.4.1. Оптимальная длина кристаллов при продольной лазерной накачке в случае минимально необходимой поглощенной им энергии для возникновения лазерной генерация...................................,,.90

3.4.1 Оптимальная длина кристаллов для достижения

максимального КПД лазерной генерации .....................94

3.5. Обсуждение результатов спектроскопических исследований..........94

ГЛАВА '4.. ЛАЗЕРНЫЕ СВОЙСТВА ПЕРЕХОДА ^эд—%ie ИОНА Ná3* В

• КРИСТАЛЛАХ ДВОЙНЫХ ФТОРИДОВ...,..............................98

4J, 'Метой ояредедедшя коэффициентавеахгааиш иотерь..............».,,.98

4.2. Определен? эффежгааваго «е^еамя лазерных переходов >шдашж сред по давани гсверацаоввых

4.3» / Йсся? додавая гевврмоаянх свойств новых лазер вш

. кристаллов.......................................■.................,...,.«,,104

•ОХ v Зксверамевты с дам новой накачкой образцов..........................«.104

4J.il; Шешдтшмъ лазерных характерней!. крисшит

. 1 KY^üíNsP ара ляяовой шштт.,............................... 104

i : <г

.i / ^

■I

? '■ j -

4.3.1 .2 Исследование лазерных зшрактернети if истаяла

EYF^Nd* spa лая®»©! накачке...;..............................106

4.3.1.3 Исследование лазерных характеристик кристашш

€sYaF?;H<P вря лаиовой накачке".,..,...............................107

4.3.1.4 Исследование лазерных характеристик кристалла

K|YFs;M3+., при лаповой накачке...................„............,.<...108

4.3,2.Исследвванне генерационных параметров кристаллов ври

лазерной накачке.....,................................................ .......у 109

4.3*2.1. Генерационные характеристике крястшишКУ^ш^^

ирк лазерной накачке.... .....................................110

4.3.2.2.Генерационные характеристики KpHcwwKYF^iP

при лазерной накачке.............................................119

4.3.2.3. Генерационные характеристики кристалла CsY?F*N<P

при лазерной накачке...,,.............................-.,..........121

4.3.2.4. Генерационные характер истнки крвстшш& KaYF^Nd3*

.. api лазерной-накачке.,,,.i..................,......„.124

4.4 Эксперимент.во перестройке лазерного из^чеиня.,,,,............125

4.5 Обсуждение результатов генерационных экспериментов...........128

ЗАКЛЮЧЕЙЖ..........................................13?

• " ' ;

ЛИТЕРАТУРА.«......*.................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Со вреневв воздавая первого оптического квантового генератора общее число твердотельных сред, не которых волучев эффект лазерной генерации, исчисляется сотнями. Однако в яомедневнуш практику вошли лишь избранные едиаацы, удовлетворяющее ее весьма жестким требованиям. Сформулированные еще десять лет назад Антипенко Б.М. и Маком А.А. определения практически значимой активной среды не потеряли актуальности и но сей день/1/: «Практически значимая активная среда сегодня должна обеспечивать: Коэффициент полезного действия не ниже 1% для режима свободной генерации & 0.2% для моноамвульсиого режима (при ламповой шшпке);

2. По температурной устойчивости - независимость энергетических, угловых, спектральных характеристик в интервале нескольких десятков градусов, причем, как правило, рабочая температура среды должна нвгодвтыж вблын ЗСИ) К;

3. По эжеалу&гацвонаой устойчивости - стабильяость генерационных характеристик яря длительной эксплуатации, в том числе при высоких уровнях нятевснввостн излучения;

4. По снежтравьным характеристикам - длину волны генераций, еоот-аегстиующуго, м^неряых, окнам прозрачности атмосферы, во-вторых,:.обдавтвм работы чувствительных приемников изучения и элементов .управления излучением: модуляторов преобразователей и

Т. Ю>. , '

В настояв! ее время эти требования могут быть р|шширены и уточнены:

5. Щттитсш штшя ттрдотття активная среда долзюял имшь широты линии жютшецепцж, соответствующие лазер-ним переходам,, которыми о6уств.мпы контуры усиления активных сршд. ' ''..■;

Э-1о необходимое требование щш полутеням перестраиваемого яазерно»

го излучения, атак же усялеиня я генерации ультракоротких импульсов.

5. Практически мшчммйя твердотельная активная среда должна быть пригодной для накачки различными высокоэффективными источниками мтушим, такими мак мощные светодиодные, экси-мерные, химические, суперлюминесцентные и т.н. лазеры. 'Перечисленным лазерным источникам» наряду с высокими энергетическими характеристиками (высоким КПД лазерной генерации), присущи низкая степень когерентности выходного излучения и «плохие» угловые в пространственные характеристики. Однако твердотельные активные среды способны преобразовывать такое лазерное излучение «низкога качества» в излучение с необходимыми угловыми, пространственными я временными параметрами /2/. Кроме того, повысились требования к КПД всего лазера «от розетки» - он должен составлять, но крайней мере, несколько процентов.

Таким образом, тенденции развития современной квантовой электроники и требования к практически значимым активным средам определяют выбор активированных кристаллов для создания на их основе новых высокоэффективных лазерных излучателей. Как показала практика, наиболее перспективными материалами для активных сред являются кристаллы фторидов, активированные ионами Ш** /3/. Это обусловлена физико-химическими свойствами, присущими как фторидным кристаллам, так я ионам Ш3*.

Во-первых, развитая система энергетических уровней КсР в кристаллах I обусловленный ею «богатый» спектр поглощения, позволяет достаточно хорошо аккумулировать излучение, как ламповых источников, так и излучение многих лазерных источников света, 1 что особенно важно, - излучение лазер» ных светодяодов. Во-вторых, фторядяые кристаллы, в отличие от кристаллов других химических соединений, обладают широкой областью громадности, что позволяет получать лазерную генерацию на их основе от ВУФ /4/ до среднего Ж /3/ диапазона спектра; Это же обуславливает их высокую фотохимическую устойчивость к интенсивному онтиЧескому излучению. В третьих, фтор ид иые жр исшш более технологичны при выращивании и механической обработке, а малое значение их коэффициента температурного расширения,

наряду с хорошей теаюяроведвостью, обуславливает етйбнльвоетъ генерационных характеристик лазеров на ах основе.

Поэтому .штуэд&шеть воисш-иових тхжтж. сред т асвове фторнд-яых жршеталяов,.актлввравяввых юна!й М*. ее вызывает тшвтшй. Однако такого рода, поиск всегда .еовражев с трудностями. объективного сравневня д&ниых лазерных эхевервиенто* е подучйкшлМЕ ранее, в новы-

шекщ эффективности (■вгешщфвкздак) таклх вешкдомий. Швытев решить этя еаеущвые. проблему шм-шттй электроника-нредорваамаетея I настоя» щей диссертации.

Наиболее объективно! характеристикой активной ереды, но которой можно сравнивать акдоные среды между собой,, является- эффект явное еече-нне- лазерного переход* т значения которого шшейко зависит усиление среды 1 КПД. лазерной ттщущт /5/. Однако яря решении одной-из главных задач шшт&о& эшщтшш - итт&мше шМйр&м лазерных частот онтвче-ского диапазона спектра» ири представлении резужтатов исследований новых активы! .сред,.авторами большинства рабол- -была принята порочим практика - делать выводы о версбектяянаств праатвческого .вримевевнв той шли иной активной среды лишь на основания данных о пороге лазерной генерации. В то же крепя, при описании экспернаентяяьных установок ш условий проведения лазерных экендошеитов шин часто унускштса т тщ весьма существенные дмные об оптическом качестве активных сред, параметров элементов резонатора, эффективности ймриш я т.н. В результате этого, оказывается, невозможно оден&ь ш проведенных экспериментов предельных значен! КПД ла» зериой ..генерации дт исследованных активных сред.. ■

Как уже говорилось, наиболее объективной характеристикой активной среды авляетря эффективное сечение лазерного перехода активной среды Ж. Однако .данные во этому параметру ар к (фёдюйлеш 14 публикациях новых активны^сред исследователям яря&одялкеь деецш-редко. Это было связано, невидимому, с тем, что методы определения ^ весьма трудоемки /6-8/.

В настоящей работе предпринята попытка развитая методов для ннтеи-сифвкацав кайка практически'-'шйимш активных сред а так же развития ме~

Т0ДО8 измерения эффективного сечения вынужденных переходов в кристаллах. Более го го, предлагается проводить лазерные эксперименты на образцах малых размеров, которые сравнительна легко получаются ярм первых ростовых экспериментах, с автоматизацией сбора экспериментальных данных. Совокупность этих подходов позволяет повысить эффективность войсковых ее* следований.

Вышесказанное определило цель данной работы:

Разработка методики интенсивного поиска перспективных активных сред. Разработка и создание автоматизированных зкевер»ментальных установок для реализации этих методов. Апробация этих интенсивных методов при исследованиях основных лазерных параметров новых активных сред на основе фторидных кристаллов, активированных ионами Ш3*, на начальном этапе разработки технологии их выращивания. Оценка практической значимости выявленных активных сред но полученным данным.

На защиту выдвигаются:

1. Экспериментальная автоматизированная установка для исследования кристаллов методами лазерной спектроскопии при возбуждении (зондировании) образцов лазерным излучением высокой интенсивности. Установка позволяет: ■

- определять лазерные параметры активных сред на образцах малых размеров при лазерном возбуждении;

- полуявь информацию о локальном качестве активных образцов (вплоть до областей с размерами порядка 100 мкм) и топографию распределения потерь но ях пошречиому сечению;

- получать информацию о параметрам генерации (энергия генерации, КПД и т.п.) и в малых областях образца активной среды с получением топография распределения их значений по поперечному сечению образца

1 Результаты исследований спектроскопических характеристик меж-мультиаяешыж переходов яокаШ^, фторидиых кристаллов с упорядоченной структурой: ¿¥Р4Ш^У ДОМ* и-ГТЯиШ».

1 Результаты исследований лазерных характерам at активных сред KYF^Nd*, CiYjftOfd*, KY^Nd* я KY^iNd* в области спектра I мкм, ври импульсной ламповой накачке... при импульсном g непрерывном возбуждении генераци» Аг-лазером» при непрерывном возбуждении генерации лазером на сапфире с Ti и светодиодной накачке.

4. Результаты полученного диапазона непрерывной перестройки длины волш излучения в области спектра I и км (около 5 ни) на активной среде КУзР10:Ш'*\ Полученный диапазон перестройки в лазере с дисперсионным резонатором является рекордно широким для сред с упорядоченной структурой.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе приводится краткий обзор известных на настоящий день лазерных переходов иона Md3* в кристаллах. Рассматриваются современные требования к лазерным материалам. Выбираются основные лазерные параметры активных сред, описываются существующий и предлагаемый подходы к поиску новых лазерных материалов. Рассматриваются существующие методы определения параметра активной среды и обосновывается выбор методов по его определению для решения поставленной задачи. В конце главы описываются некоторые свойства образцов кристаллов, выбранных для исследований: методы и условия их выращивания, кристаллическая структура я т. п.

Во второй главе приведено описание экспериментальных установок: спектроскопической я двух установок для получения лазерной генерация: одна при импульсном ламповом возбуждении, другая « при лазерном, как импульсном, так и непрерывном возбуждении (зондировании).

Польша* часть главы посвящена описан»» автоматизированной установки и методик проведения исследований с ее помощью при лазерном возбуждении образцов. Установка позволяет проводить эксперименты по получению лазерной генерации в автоматическом режиме, а так же исследовать свойства акпвнш сред и определять их лазерные параметры но образцам малых размеров при лазерном возбуждении. С помощью этой установки стало возможным быстро и просто получать информацию о локальном качестве образцов (вплоть дё облаете! размерами порядка 100 мкм) ш топографию рас-

пределения потерь но его поперечному сечению. Получать информацию о па»

раметрах лазерной генерации (энергия генерации, КПД и т.п.) к отдельных участках образца с топографией распределения их значений по поперечному сечению образца.

Здесь же описываются нестандартные элементы, используемые в этой установке.

В третьей главе обсуждаются вопросы, решение которых необходимо при определении эффективного сечения перехода 4Рш-41ш иопов в кристаллах по спектроскопическим данным. Приведены результаты спектроскопических исследований межмультиплетных переходов иона N<1** новых кристаллов КУР^Ш3*, СаУаММ* КУЛЯМ*, перспективных для применения как активных сред для лазеров, а также кристалла КУ^о^М34", уже известного как перспективная активная среда для лазеров с импульсной ламповой накачкой. Приведена процедура определения эффективного сечения перехода 4Р*г 41 и« иона Ш3* в новых кристаллах по спектроскопическим данным. Приводятся полученные данные во оптимальной концентрации ионов активатора для изготовления активных элементов из лазерных кристаллов, исследованных в работе. Приводятся спектры поглощения этих кристаллов в области излучения, соответствующей наиболее эффективным существующим светодиодным излучателям. Обсуждаются наиболее предпочтительные полосы в спектрах поглощения кристаллов для такой накачки. Приводятся результаты оценки возможных порогов лазерной генерации на кристаллах при импульсном, монохроматическом возбуждении, по полученным спектроскопическим данным. По этим же данным оцениваются оптимальные длины кристаллов для продольного лазерного возбуждения. Обсуждаются результаты спектроскопических исследований.

В четвертой главе описываются известные методы определения коэффициентов неактивных потерь 8 и эффективных сечений лазерных переходов щ иона N«1^ по данным генерационных экспериментов при ламповом возбуждении. Обсуждается возможность применения этих методов для определения параметров 8 и но данным генерационных экспериментов при продольном,

монохроматическом (импульсном я непрерывном) возбуждения.

Приводятся результаты генерационных экспериментов на образцах новых активных кристаллов (вороги в дивны юн генерация), ори импульсном ламповом возбуждении. Приводятся результаты определения параметров новых кристаллов во данным генерационных здсверименто® ори непрерывном лазерном возбуждении, тажих параметров, как дифференциальный КПД, коэффициент неакти&яых потерь на длине волны генерации, эффективное сечете лазерного перехода. На образце крас�