Лазеры 2-мкм диапазона на ионах гольмия и тулия в скандиевых гранатах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ОНЦЕИ ФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

л

На правал рукописи

уда 621 .зтз.а?б

АЛПАТЬЕВ Андрей Николаевич ЛАЗЕРЫ 2-МКМ ДИАПАЗОНА НА ИОНАХ ГОЛЬМИЯ И ТУЛИЯ В СКАНДИЕВЫХ ГРАНАТАХ (01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Зизико-математических наук

Москва-1993

Работа выполнена в отделе "Лазерные кристаллы" Института сбяеЯ фязшш РАН.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

член-корреспоцдеит РАН, профессор И.А.Щербаков

доктор Зизико-математических наук, профессор В.А.Смирнов

доктор (Яизико-математических наук В.И.Жеков, ИОФРАН, г.Москва

доктор физико-математических наук С.П.Тимофеев, ФИРАН, г.Москва

НПО "Полюс"

Защита диссертации состоится " " №{и\л>1я 1993г. в /¿Г^ часовна заседании Специализированного ученого совета К 003.49.02 Института оОщеЯ физика РАН по адресу: Москва, ул. Вавилова,- 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФРАН Автореферат разослан " " 1993г.

Ученый секретарь Специализированного совета К 003.49.02 ж.ф.-м.н.

Г^Б.Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение ионов хрснла (Сг3+) в качестве сенсибилизаторов люминесценции ионов трехвалентных редкоземельная: элементов (ТО3+) в раде твердотельных лазерных материалов позволило существенно повысить КПД импульсных твердотельных лазеров, работающих при комнатной температуре с ламповой накачкой [1]. Среди ионов ТИ3*, могущих получать энергию от ионов Сг3+, большой интерес представляют ионы Ти,+ к Но3*, у которых на переходах 3Н4»3Н6 и 517-518> соответственно, была ранее получена 2-мкм генерация. В связи с тем. что лазеры 2-мкм диапазона в настоящее время находят все новые и ноше области применения — например, в медицине, технологии, связи — возникает задача улучшения характеристик подобных лазеров, в том числе за счет эффективной сенсибилизации люминесценции ионов Тт34 и Но3* ионами Сг3*.

Одним из необходимых условий решения поставленной задачи является возможность количественного описания процессов трансформации энергии электронного возбуждения в многокомпонентных системах, т.е. возможность построения адекватных физических моделей активных сред лазеров 2-мкм диапазона на ионах Тт3+ и Но3*. Подобные физические модели, описывающие процессы заселения и релаксации лазерных уровней рабочих частиц активных элементов (АЭ) лазеров, необходимы для целенаправленного поиска оптимального состава АЭ я режимов работы лазеров.

Целью настоящей работы являлось: реализация генерации на ионах Тт и Но в кристаллах скандиевых гранатов: ИСГГ-Сг-Тт (иттрий-скандий-галлиевый гранат) на переходе

3н4-»3н6 иона 1т и ИСГГ-Сг-Тго-Но, ГСАГ-Сг-Тго-Но (гадолиниЯ--скандиЯ-алюминиевый гранат) на переходе 517-510 иона Но; выяснение степени влияния различных физических факторов на эффективность генерации с целью оптимизации выходных параметров . лазеров; .изучение механизмов энергодвижения в активных средах лазеров на кристаллах ИСГТ-Сг-Тт и ИСГГ-Сг-Тт-Но для построения модели, адекватно описывающей процессы передачи энергии СгУГт и Сг-ТпиНо при генерации; рассмотрение возможности создания комбинированного лазера, работающего на двух длинах волн - 1.Обмкм и 2,088мкм -с двумя АЭ на кристаллах ИСГГ-Сг-Ш и ИСГГ-Сг-Тт-Но в одном резонаторе.

Научная новизна работы состоит в: реализации генерации на переходе 3Н4-3Н6 иона Тт3+ в кристалле ИСГГ-Сг-Тт и на переходе 5^7-»518 иона Но3+ в кристаллах ИСГГ-Сг-Тт-Но,

ГСАГ-Сг-Тт-Но; экспериментальном___обнаружении процессов,

влияпцих на передачу энергии возбуждения между ионами Сг-Тт-Но в кристалле ИСГГ-Сг-Тш-Но и заселение рабочего уровня 517 иона Но3+, проявляющихся в запаздывании достижения максимальной населенности уровня 51? иона Но3+ в режиме модулированной добротности по отношению ко времени окончания импульса накачки и в специфике формы импульса свободной генерации в

многомодовом режиме; создании__адекватную__моделей активных

сред на кристаллах ИСГГ-Сг-Тт и ИС1Т-Сг-Тт-Но, позволяющих количественно описывать процессы энергодвижения в них как в режиме свободной генерации. так . и в режиме модулированной добротности, а также учитывать влияние концентрации активаторов й температуры на эффективность генерации; экспериментальной демонстрации влияния на параметры генерации

в лазерах на кристаллах скандиевых гранатов УФ-излученяя источника накачки, концентрации активаторов, температуры, режима работы ксеноновой лампы накачки и частота возбуждающих импульсов света; создании двухволнового лазера с двумя АЭ (кристаллы ИСГГ-Сг-Ш и ИСГГ-Сг-Гт-Но) в одном резоваторе, дающего синхронное соосное излучение на длинах волн .Обмкм и \=2,088мкм.

Решена следующая научная задача: на основе кристаллов редкоземельных скандиевых гранатов с хромом создай ряд эффективных лазеров двухмикронного диапазона, работавдих при комнатной температуре, и разработаны методики,- позволяющие оптимизировать состав активных сред и режимы работы созданных лазеров.

Практическая ценность работы заключается в создании ряда эффективных лазеров двухмикронного диапазона, работавдих при комнатной температуре.

Созданные в данной работе 2мкм лазеры применяются в настоящее время в целом ряде отечественных и зарубежных медицинских центров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физические модели активных лазерных сред на основе кристаллов ИСГГ-Сг-Тш и ИСГГ-Сг-Тго-Но, позволяющие оптимизировать состав и режимы работы 2-мкм лазеров, работающих на переходах 3Н4-3Н& ионов Тт и 5Т7-5 10 ионов Но.

2. Создание лазера на кристалле 1!СГГ-Сг-Тт, работающего в режиме свободной генерации на переходе 3Н4-3Н& иона Тт а=2,016мкм);

3. Создание лазеров на кристаллах ИСГГ-Сг-Тго-Но.

работающих на переходе 517-518 иона Но (Я=2,088мкм) в режимах свободной генерации и модулированной добротности с помощью электро-оптнческого затвора (ЭОЗ), оптико-механического затвора (СЮ) н акусто-оптического затвора (АОЗ);

4. Получение генерации на переходе 517-»51а иона Но (Х=2,095мкм) в кристалле ГСАГ-Сг-Тга-Но;

5. Создание двухволнового ,06мкм, Хг=2,088мкм) лазера на кристаллах ИСГГ-Сг-Ш и ИСГГ-Сг-Тт-Но с двумя активными элементами в одном резонаторе;

6. Экспериментальное обнаружение динамического эффекта сглаживания термооптических неоднородностей ССТОН-эффект) при работе лазера на кристалле ИСГГ-Сг-Тт-Но в частотном режиме;

7. Выявление влияния УФ-облучения на генерационные характеристики 2-мкм лазеров на кристаллах ИСГГ-Сг-Тш-Но и ГСАГ-Сг-ТнъНо.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на у Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987); У1 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990); отдельные результата диссертационной работы обсувдались на научных семинарах лабораторий "Колебаний" и "Лазерные кристаллы" ИОФАН СССР.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и содержит 170 страниц машинописного текста, в том числе 61 рисунок и 4 таблицы; библиография - 110 наименований. Результаты диссертационной работы изложены в 16 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована

актуальность теш, изложены основные задачи работы, сформулирован™ основные защищаемые полоиевия, дано распределение материала по главам.

В первой главе диссертации рассмотрены механизмы энергодвижения в активных лазерных средах - кристаллах ИСГГ-Сг-Tm и ИСГГ-Сг-Тт-Но. ИСГГ-Сг-Тш:

Запишем уравнения, характеризующие динамику засалечия и релаксации возбужденных состояний ионов Сг и Тт:

¿? ■ - " а сг т1 4 wh(t) с1:

т,

ш3 = —^ - р ш3 т, ч а с? т, ; :1)

пи 7 ,

шг = - +■ 2 р га3 ш, - т\ - фг Dr Sm21 :

где ССг=с14Сг-2,5-Ю?0см"3-концентрация Сг34; М1п=гп1 +т2<гаг~

концентрация №34; индексы 1,2 при с} относятся к уровни 4 А., к

объединенному уровню гЕ,4Т? Сг34 соответственно; индексы 1,2,3

при ш1 к уровням 3H6.3H4.3F4 Tm34 соответственно; г=0,145мс,

т3=1мс и тг=9,5мс, соответственно, собственные времена жизни

уровней гЕ,4Тг иона Сг, уровня 3Р4 и 3Н4 иона Tro [1,4]; рпогл(г)

N (t) = -2--скорость накачки иона Сг ;

h 5н 'а Ссг

hüL -средняя энергия кванта накачки; V -накачиваемый обьем

Н el

активной среда; ф -плотность фотонов ч резонаторе на частоте

генерации; Рг-козффициент Эйнштейна вынужденного перехода:

6шг|-пороговая разность населенностей рабочих уровней 3Н4 и

3Н6 на длине волны генерации; ас;?ш1-сг.орость заселения уровня

3}'( Tm34; 2pm3m|-скорость заселения уровня 3Н4 Но34 за счет

размена возбуждения уровня 3F4 на два на уровне 3Ii4; Г

-7-то', -р»•••¡ультнрукщая скорость сумми{ оваиия возбуждений в

состоянии ®Н4 12.3J.

сг. а

шз

'з= ~

2

'г" - ъ

П2

1г* " аН0

ИСГГ-Сг-Тю-Но:

Система уравнений, описывающая динамику заселения и релаксация возбужденных состояний ионов Сг. Тт. Но:

- а с? т, ♦ : ♦ а с? т, - р т3 т, ;

Т

- n>2 и, » 1г i>j в, 4 2 р га3 —га| ♦ -í¡- п| ;

где NH0-n1 +пг-концентрадия Но34; индексы при ct -и nij аналогичны ИСГГ-Сг-Тю (1); индексы 1.2 при п^ относятся соответственно к уровням 518, 517 Но34; бп21-разность населенностей лазерных уровней 51? и 5I8; tHo=lЗмеек собственное время - жизни уровня 51? иона Но (41; ■ Z{n¡2n1-CKopocTb передачи возбуждения с уровня 3Н4 Тт на уровень Но; Iji^mj-скорость передачи возбуждения с уровня 51т НО на уровень 3Н4 Тт; гп|-скорость суммирования возбуждений уровня 517 Но 131; рпгт?-скорость убыли возбуадений с уровня Но вследствие взаимодействия

возбужденных уровней эн4 Тт и 51? Но (3.5).

Из приведенных уравнений следует, в частности, что

существует предельная величина населенности уровня 51? иона

гольмия, зависящая от концентрации активаторов, которая равна: г№»я г.

Во £1 + Р ' Например, для концентраций активаторов МТт=8-Югосм"3

19 3

НВо=5-10 см , относительная предельная населенность равна „пред

и

Как следует из системы (2), при сильном возбуждении кристалла ИСГГ-Сг-Тт-Но должно иметь место уменьшение времени жизни уровня 3Н4 Тгп за счет нелинейных процессов взаимодействия возбужденных ионов (5). в соответствии с

I

уравнением: тг»-(рп?)тг. Данный эффект наблюдался экспериментально в кристаллах ИСГГ-Сг-ТпьНо и ГСЛГ-Сг-Тго-Но при типичных энергиях импульсной ламповой накачки в стандартных лазерных квантронах.

Во второй главе на основе уравнений (1) и (2) рассмотрена динамика заселения рабочих уровней ионов Тга3* и Но3* в кристаллах ИСГГ-Сг-Тт и ИСГГ-Сг-ТпъНо при генерации в стационарном и импульсном режимах накачки для различных концентраций активаторов. Получены аналитические зависимости величин порога и дифференциального КДД генерации от концентрации активаторов и потерь резонатора, позволяющие оптимизировать состав лазерных кристаллов.

Основные формулы, описывающие работу 2-мкм лазеров на основе активных сред ИСГГ-Сг-Тга и ИСГГ-Сг-Тт-НО.

ИСГГ-Сг-Тт: Стац^_режим.

ИСГТ-Сг-Тго-Но: Стац. режим.

Р - Ч,,т|,г(ин-ипор):

^ФрОрбш",;

: (при т3« гаг);

-у

лор

к

г г

^диф-

ш„ гг-

г г

Имп. режим (прямоуг.имп.).

пй

1- -пг )

пор

2 г,

имп

(ПР" ХИМП<аг : 1 /гиуп• V()

Связь пороговых инверсия, коэфф.усиления и концентрации активаторов.

Соотношения населенностей уровней 3Н4(Тт-т51п)и517(Но-п2)при пороге • и,

V* - с..

гегг

г а

гСВ^Е^-Е,«!,,;

где: 82=0,3954 и =0.0217; Ог(2.018Мю1)=(2±0.2)-10"г,смг.

вп1

я.- ^ = ^ -(в1»вг)И?-в|Н1|в

21

25ГТ г а

где: вг=0.1422 и в,=0.0205; Ог(2,088мкм)=(5.5±1.5МО~г0смг.

где: ин=*нСС1.; ипор=ипорссг: ^01=

иГ ^н;12Мт«+тг: ' шг* г1п7+ггпг_рпг: шз= ^+11п?+1гпг+ 2 тг-1а-длина АЭ; ,оГ-сечение генерации; 1ю>г-энергия кванта генерации; и в,-относительные населенности подуровней рабочих лазерных уровней верхнего и нижнего, соответственно (при Т=300К), расчнтанные на основе штарковской структуры (61; т)01 я п12 - квантовый выход передачи возбуждения от хрома на

о

уровень ?4 тулия и квантовый выход размена возбуждения в состоянии 3?. на два возбуждения на уровне Зн. иона тулия,

К

соответственно; - отношение полезных потерь резонатора

(выходное зеркало) к обидам потерям; п"- населенность

верхнего лазерного уровня 51т иона Но при пороге; т°1п -

минимальная населенность уровня 3Н4 Тт. при которой возможна

генерация (IX)), т.е. достигает пороговой величины

населенность уровня 51? Но (п"). к_

ЬигУаР ~ мощность генерации.

2 .

/1+/ т/

ИСГГ^Сг^Тш:

Для стационарного режима накачки численный насчет пороговой мощности в зависимости от. выявляет навнчии оптимального интервала значений концентраций тулия

?л -3

Мув=(8±3)-10 см . при которых имеет место минимальный, йорог генерации при типичных потерях резонатора. Для импульсного режима накачки, численный расчет показывает, что оптимальная концентрация Ы1п примерно совпадает с таковой для стационарного режима накачки,

ИСГГтСг-Тт^Но: •

Численный расчет показал, что оптинаяыяи ковцентрвчиа активаторов существенно зависит от потерь резонатора,' в том числе оптического качества АЭ, и при характерных осадах потерях (~0,1см"') оптимальная величина М1в=(12±4)-10госм'"3 ;и МНо=(8±2)-1019см"3.

Показано, что мощность генерации пропорциональна избыточной населенности уровня 3Н4 иона Тт (Ля2) (превышение населенности уровня 3Н4 Тш3+ над той. которая имеет место ¡при пороге при стационарной накачке - га"1") я подчиняется зависимости: Р = Дтгш2; где: Дт2=от2-т"1п - превышение над и"1?

Приведен численный расчет динамики населонностбй возбужденных уровней 3Н4 иона Тт (тг) и иона Но, (п2) при генерации и расчет изменения превышения Дт2 в зависимости от мощности накачки и потерь резонатора. Показано, что избыточная населенность Ат„ с ростом и имеет тенденцию к

ь Н

насыщению, что позволяет объяснить экспериментальные зависимости мощности генерации от 1! приведенные в литоратуре [10,113.

Приведен численный расчет зависимости величины квантового

Ш2,

выхода возбуждений в канал генерации т)о1т,12 з от М011Н0СТИ накачки »нак для двух случаев: при пороге (тогда и в процессе генерации (тогда т}даф уменьшается вследствии обеднения, основного состояния 3Н6 тулия) при различных потерях резонаторе!

Показано влияние скорости переноса возбужения Сг-ТпнНо на динамику образования инверсной населенности в лазере с АЭ на кристалле ИСГГ-Сг-Тт-Но (Н1в=8-10госм"3. ^Но=5-1019см"3) в импульсном режиме.

В режиме запасания (режим модуляции добротности) это влияние проявляется, как показал эксперимент и расчет с помощью ЭВМ системы (2), в динамике заселения рабочего уровня 61т Но3*, а именно: рост населенности на рабочем лазерном уровне Но3* продолжается в течение некоторого времени и после окончания воздействия импульса накачки.

.В режиме свободной генерации влияние скорости переноса возбуждения С5>ТпмНо экспериментально проявляется в формировании среднего временного профшя импульса генерации как в процессе накачки, так и после ее окончания. Приведен пример (Численный расчет на основании системы (2)) динамики населенностей возбуженных уровней 3Н4 Тт3* и 517 Но34 при генерации, при накачке прямоугольным импульсом гимп=500мкс,

^накЧадГ0,5» 14X1 задантп потерях.

Показано, что нарастание и спад мощности генерации при нюшчении и выключении ламповой накачки происходит с постоянной времени ш^1 (см. таблицу).

В третьей главе для оптимизации состава и режимов работы 2-мкы лазеров исследуется влияние температуры и концентрации активаторов на коэффициент поглощения и пороговый коэффициент

усиления с учетом других потерь на длине волге: генерации лазеров на кристаллах ИСП'-Сг-Тт и ШТ-Сг-Тт-Но. Приведены таблицы резонансных коэффициентов поглощения в зависимости от концентрации активаторов Тш и Но в кристаллах ИСГГ-Сг-Тт (при ЗООК, Х=2,018мкм) и ИСГГ-Сг-Тш-Но (при 300К. Л.= 2,С80мкм). Приведены таблицы относительных населенностей > рабочих уровней 3Н4, 3Н6 Тт3* и 517. 510 Но3' при температуре ЗООК и 340К вычесленные на основе их итарковской структуры (6).

Экспериментально показано влияние температуру на торог (при Т=1070°С) и КПД генерации (при Т=22°С и '1^60°С) в лазере с АЭ на кристалле ИСГГ-Сг-Тт-Но (МТт=8-10гссм~э, МНо=5-Ю19см"3). Показано, что изменение порога на ±103 происходит при изменении температуры (пй отношению к 20на +7°С и -Ю°С, соответственно. Отмечено, что изменение обратно пропорционально пороговой энергии Епор, при этом КЛЛДИф зависит от температуры: гаМдаф~1/Епор1Т)' что качественно совпадает со стационарным случаем для пороговой мощности накачки. Влияние температуры на порог будет наиболее существенно при увеличении потерь ге и уменьшении концентрации

МТп И МВо"

Описаны созданные лазеры, работающие в режиме свободной генерации, на кристалле ИСГГ-Сг-Тш-Но с различными концентрациями ионов тулия и гольмия. На ЛЭ размером 04x76мм (ССг=2,5-1О20см"3, МТт=8-10г0см"3, ННо=5-1019см"3) достигнут Ш1ДДИф=-3,1% и М1Лабс=2,1% (Енак-=145Д)Н, получена максимальная энергия генерации Т,4Дчс при Енак=39У1-к.

Известно [ 1 ], что при импульсно-периодической накачке в активной среде через некоторое время устанавливается квазистационарных тепловой режим, когда тепловой поток

ваправлен из объема активной среда наружу, обеспечивая тем самым ее охлаждение. В случае, если активная среда обладает высокой оптической плотностью, тепловыделение в ней за счет поглощения света накачки концентрируется преимущественно на ее периферии,. при этом в течении каждого импульса накачки формируется "импульсный" тепловой поток от периферии активной среды к ее центру. Таким образом, за время каждого импульса накачки происходит конкуренция двух физических процессов. Квазистационарный режим теплообмена характеризуется средним по времени тепловыделением в активной среде и определяет съем тепла с ее объема. Вклад динамической компоненты теплопереноса. обусловленный неравномерным поглощением оптической накачки, в каждом из импульсов последовательности может " быть различным и зависит от теплофизических характеристик активной среды, спектрально- среднего коэффициента поглощения и частоты следования импульсов накачки. При этом существует ситуация, когда в течении импульса накачки происходит компенсация тепловых потоков: квазистационарного, направленного из активной среды наружу, и динамического, направленного в некоторые моменты времени внутрь активной среды (1].

Теоретическая оценка частоты автокомпенсации термооптических искажений 113, выполненная для данной активной среды при использованных режимах накачки, дает величину порядка 2Гц; именно при такой частоте следования импульсов накачки общие потери в резонаторе т/т лазера достигают своего минимума, и, соответственно, создаются предпосылки для получения максимальной энергии генерации.

Экспериментально подтверждено, что в плоском резонаторе с

АЭ на кристалле ИСХТ-Сг-Тш-Но именно при частоте повторения Г0=2Гц при постоянной Енак существует ярко выраженный максимум энергии генерации вследствие реализации динамического режима сглаживания термооптчческих неоднородностей ("СТОН"-эффект) (1,71. Причем, Г0 не зависит от длительности импульса накачки в исследованном интервале длительностей (260+1200чкс) и слабо зависит от скорости прокачки охлаждающей жидкости.

В четвертой главе исследовано влияние спектрального состава возбуждающего света на выходные характеристики 2-мкм лазеров на основе скандиевых гранатов.

Показано влияние УФ-излучения накачки на образование наведенного поглощения в кристалле ИСГТ-Сг-Тт-Но, которое блокирует полосы поглощения ионов хрома. В кристалле ГСАГ-Сг-Тт-Но при тех же накачках наведенного поглощения не наблюдалось. Проведено сравнительное исследование влияния фильтрации света на генерационные характеристики 2-мкм лазеров ИСГГ-Сг-Тт-Но и ГСАГ-Сг-Тш-Но. Показано, что кристалл ГСАГ-Сг-Тт-Но существенно более устойчив к образованию ЦО. Рекомендовано при практическом использовании лазеров на кристалле ИСГГ-Сг-Тт-Но применять более "жесткую" фильтрацию ламповой накачки (по сравнению со стандартным 0,2% водным раствором КгСг04, применяемым для охлаждения и фильтрации ИАГ-Ш). Показано, что осветитель из КЛЖ также не обеспечивает достаточную фильтрацию.

Исследовано влияние режимов работы ксеноновой лампы накачки, а именно — длительности и энергии прямоугольного импульса накачки (от которых зависит распределение интенсивности в спектре излучения лампы ¡81), на порог' и эффективность генерации 2-мкм лазеров на основе хромсодержадлх

скандиешх гранатов ИСГГ-Сг-Тт, ИСГГ-Сг-Тт-Но и ГСАГ-Сг-Тт-Но.

С использованием результатов 191, ппедложена методика,

позволяющая при различных длительностях (Ъщд,) и энергиях

импульса накачки расчитывать энергию генерации при малых

превышениях над порогом, а также учитывать перераспределение

спектрального состава излучения ламп накачки посредством

введения в генерационную зависимость

Еген(Енак'Ируд)Д\,1'имп/'1) нормированной эмпирической функции

Г(Руд)д^, описывающей изменение энергии излучения лампы в

интервале ДЛ=А.,-Аг п|и изменении удельной электрической

мощности разряда Р - (У-объем разрядного промежутка)[8]

уд имп

лампы накачки (функция Г(Руд)д^ может быть уточнена в эксперименте):

1п(1- ^импА )

к - п ггр ^ к м чгп 1ч^уд}^ко 1.

Еген- Ж?* % уд ДА, нак Ш^я&Д1* -I'

где т}0-максимальный предельный дифференциальный КПД лазера,

включая и степень заполнения излучением апертуры АЭ; ч-время

жизни уровня 51? Но3 4; К0= ^шА/е" » Енак/:':пор ~ коэффициент

превышения накачки над минимальной пороговой энергией накачки

ОЕг/т)0* Е"=п"ьсогУа-энергия раоочего уровня 517 Но34 при

пороговой населенности п"; Уа~ооъем засвеченной части АЭ.

Пороговая энергия накачки:

Е" гимп/Ч

Е, - 2 -

П°Р" %Г(Руд}М (1 -

т.к. 1.Л „, то оптимальная длительность импульса накачки при

имп

которой возможен минимальный порог: рп ьш1п

ор» - г - _П2Е .

Чи.Ш

Показано, что обычно имеющее место замедление ¡юста величины

энергии генерации в зависимости Ерен от Енак происходит после некоторой характеристической энергии накачки Е^=Р()Угимп. обусловленной режимом работы и параметрами ламп накачки. Причем, при Ена^Е^» ^диф завышается на -10% (т.к. в спектре излучения лампы превалирует интенсивность длинноволновой компоненты), а при Е^^Е^^ КПД^ф уменьшается вплоть до нулевого значения при (т.к. в спектре

излучения лампы превалирует коротковолновое излучение).

В пятой главе приведено описание созданных лазеров на кристалле ИСГГ-Сг-ТпъНо (А.ген=2,088мкм), работающих в режиме модулированной добротности.

Модуляция с помощью оптико-механического затвора (ОМЗ) (вращающаяся стеклянная призма со скоростью 7500о<5/мин):

На АЭ размером 04х63(6О)мм получена энергия гигантского импульса 280мДж при 10Дж (5+6 пичков в импульсе,

длительность каждого пичка аи=40+50нс. на временном интервале 2мкс);

На АЭ размером 03x54(48)мм получена энергия гигантского импульса 160мДж,при Енак=108Дж (7+10 пичков в импульсе с аи=40+50не, на временном интервале ~2,5мкс).

Модуляция__с_помощью электро-оптического затвора (ЭОЗ)

(кристалл из ЫКЬ03 со скошенными под углом Брюстера торцами): На АЭ размером 04x76(69)мм получена энергия гигантского ипульса 80мДж при Енак=125Дж;

На АЭ размером 03x54(48)мм получена энергия гигантского импульса в моде ТЕМ00 50мДя при Еиак^80Дж (ти=40+50нс. расходимость луча по уровню 0,5 «4.1'(близка к дифракционной)).

Модуляция с помощью акусто-оптического_затвора (АОЗ)

(модулятор серийный ИЭ-301Б, упр&вляпцая частота 54кГц. длительность пребывания в открытом состоянии ~4нкс).

На АЭ размером 03х54(48)мм получена энергия гигантского импульса 100мДх при Е^^ббДж (в импульсе 20+25 пичков с ^ибо+гооне).

В шестой главе рассматривается созданный двухволновой лазер на двух кристаллах ИСГГ-Сг-Ш (\.eHi=1 .Обмкм) и ИСГГ-Сг-ТпьНо (Xj^jjg^.oeeMKM) в одном резонаторе, дащий в режиме свободной генерации синхронное соосное излучение на двух указавшее длинах волн. Накачка обоих АЭ осуществлялась раздельно, каждый АЭ своей лампой и в своем квантроне. Получена совместная генерация Е^^.&И ,25Дж (Х.ген)=1,06мкм) ' и £^=0,35+0,410* (Х^^.Обвмкы) при общей Е^^гоад* при частоте повторения int. Негативное влияние друг на друга двух АЭ невелико. Так, при М1в=10г1см"3 величина коэффициента поглощения на длине волны Х=1 „Обыкы на переходе 3Н6-»3НД Тт3* составляет всего -О.ООвсм"1. Присутствие в резонаторе 2-мкм гольмиевого лазера кристалла ИСГГ-Сг-Ш (на который свет лампы накачки не воздействует) также незначительно (~25%) уменьшает

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ра основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. :<и*виты физические модели активных лазерных сред на ос:ле кристаллов ИСГГ-Сг-Тго-Но и ИСГГ-Сг-Tm. позволяющие оптимизировать состав и режимы работы 2-мкм лазеров, работающих на переходах 3Н4-?Н6 ионов Тт3* и 517-518 ионов Но3*.

2. Создан лазер на кристалле ИСГГ-Сг-Тш с длиной волны генерации Л^2,018мкм, обладающий следующими выходными характеристиками в режиме свободной генерации: на кристалле размером 03x54мм, порог генерации 56Дж, дифференциальный КПД 1.03%, энергия генерации 550мДж при энергии накачки 120Дж.

3. Создан ряд лазеров на кристалле ИСГГ-Сг-Тш-Но с длиной волны 1'енерации Х=2,088икм, обладающих следующими выходными характеристиками:

1) в режиме свободной генерации- на кристалле 04x76мм, максимальный дифференциальный КПД 3,1%, порог генерацииш бЗДж, при энергии накачки 395Дя. получена энергия генерации 7,4Дж;

2) в режиме модулированной добротности с помощью:

—электрооптического затвора:

а)на кристалле 04x76мм, дифференциальный КПД 0,27%, порог генерации 90Дж, получена энергия генерации 80мДж при энергии накачки 125Дж;

б)одномодовая генерация (ТЕМ00) - на кристалле 03x54мм получена энергия генерации 50мДж при энергии вакачки 80Дж;

—оптикомеханического затвора - на кристалле 04хбЗым, дифференциальный КОД 0,65%, порог генерации бОДж. энергия генерации 280мДж при энергии накачки ИОДж.

—акустооптического затвора - на кристалле 03x54мм, дифференциальный КОД 0.4%, порог генерации 40Дж. энергия генерации 100мДж при энергии накачки 65Дж.

4. Создан лазер на кристалле ГСАГ-Сг-Тго-Но с длиной волны генерации &=2,095мкм, обладающий следующими выходными характеристиками в режиме свободной генерации:

на кристалле 04x36мм, дифференциальный КПД 1,9%, порог

генерации 20Дж, получена энергия генерации 1,4Дж при энергии накачки 100Дд.

5. Создан двухволновой лазер с двумя активными элементами в одном резонаторе на кристаллах ИСГГ-Сг-Ш 04x72мм и ИСГГ-Сг-Вв-Но 03х54>м, дапций соосное излучение на двух длинах волн \=1 .Обмкм и \=2,06&жм в режиме свободной генерации, обладающий следующими выходными параметрами: общий для двух длин волн дифференциальный КЦД 1,13%, энергия генерации 350мДж на длине волны генерации 2,088мкм и 1,25Дж на длине волны 1,Обмкм при энергии накачки 200Дж.

6. Экспериментально обнаружено, что при работе 2-мкм лазера на кристалле ИСГТ-Сг-Тт-Но в частотном режиме имеет место динамический эффект сглаживания термооптических неоднородностей (СТОТ-эффект).

7. Показано, что негативное влияние УФ-излучения на генерационные характеристики 2-мкм лазера на кристалле ГСАГ-Сг-ТльНо существенно меньше, чем на генерационные характеристики 2-мкм лазера на кристалле ИСП'-Сг-Тт-Но.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оптически плотные активные среды.: Наука. 1990.-(Труда ИОФАН СССР; т.26).

2. Д.А.Зубенко, Ы.А.Ногииов, В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. "Взаимодействие возбужденных ионов гольмия и тулия в кристаллах иттрий-скандий-галлиевых гранатов". ЖПС, т.52, »4(1990), стр.598-602.

3. Д.А.Зубенко, Н.А.Ногинов, В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. "Взаимодействие ионов Но3* и Тго3+ в лазерном кристалле ИСГГ:Сг3*.Тт3+,Но3+". Сборник материалов, . Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров". 16-17 апреля 1990г., стр.79-80., (ИСФАН СССР).

4. М.А.Ногинов, В.Г.Остроумов, З.С.Саидов, В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. "Распределение возбуждений в неупорядоченной системе сильно взаимодействуют« частиц". Препринт ИОФ АН СССР, #193. М.. 1986, с.16.

5. Д.А.Зубенко, М.А.Ногинов, С.Г.Семенков, В^А.Смирнов, И.А.Щербаков. "Межионные взаимодействия в лазерных кристаллах ИСГГ:Сг,Тш и ИСГГ:Сг,Тт,Но", Квантовая электроника, т.19, »2 (1992)-, .стр. 150-156.

6. Optlkal and Quantum Electronics, т.22(1990). s.133-s.139. "Spectroscopic characteristics of YSCG:Cr.Tro and YSGG:Cr.Tm,Ho".

V.G.OSTROUMOV, I. A. SHCHERBAKOV, В.У.ШП1К0У.-Institute Of General Physics, Academy of Sciences of the USSR. Vavilov Street 38, 117942 Moscow, USSR.

CH.PFISTHER, P.ALBERS, H.P.WEBER.-Institute of Applied Physics, University of Berne, Sldlerstrasse 5, 3012 Bern.

Switzerland. Received 12 August; revised and accepted 6 December 1989.

7. Данилов А.А.» Жариков E.B., Заварцев Ю.Д., Никольский M.D.. Привис Ю.С., Прохоров A.M., Студеникин П.А., Щербаков И.А. "Автокомпенсация термооптических неоднородностей в импульсно периодических твердотельных лазерах на основе оптически плотных активных сред". Квантовая электроника, т. 15, 1988, стр.2323-2328.

8. А.С.Дойников "Спектральные характеристики излучения трубчатых ксеноновых импульсных и дуговых ламп". Обзоры по электронной технике, серия:"Электровакуумные и газоразрядные приборы", выпуск 11(154), 1973г.

9. Б.И.Денкер, Н.Н.Ильичев, Г.В.Максимова, А.А.Малютин, В.В.Осико, П.П.Пашинин. Квантовая электроника, т.8, »7, 1598 (1981).

10. Антипенко Б.И., Глебов А.С., Киселева Т.И., Письменный В.А. "Преобразование поглощенной энергии в кристаллах YAG-Cr,Tm,Ho." Оптика и спектроскопия. 1988, т.64, Я2, с.873-377.

11. Hu.ber G, Duczinskl E.W., Peterman К., Leser-pamping of Ho.-Tm.-Er-doped garnet lasers at room temperature.(IEEE Journ. of quant, electronics. 1988, v.24, Jf6. p.920-923), Topical meeting of tunable solid state lasers technical digest sorles,1987 v.20,(Optical society of America, Washington,D.C. 1987)p.18.

OcuoMue результаты диссертации опубликованы в .следующих работах:

Л1. А.Н.Алпатьев, Е.В.Жариков, С.П.Калитин, В.В.Лаптев, В.В.Осико, В.Г.Остроумов, А.М.Прохоров, З.С.Саидов, В.А.Смирнов. И.Г.Сорокина, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Генерация ионов гольмия на переходе 517-518 при комнатной температуре з кристалле иттрий-скандий-галлиевого граната с ионами хрома, тулия и гольмия (ИСГГ-Сг3+-Тт3+-Но3+). Препринт ИОФАН, М.,

1986. *26; Квантовая электроника, т.13. 2127, (1986).

А2. А.Н.Алпатьев, Е.В.Жариков, С.П.Калитин, М.А.Ногинов, В.Г.Остроумов, З.С.Саидов, В.А.Смирнов, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Кристаллы ИСГГ-Сг-Tm-Ho - активные среды ИК-иапазона повышенной эффективности." Тезисы докладов на Y Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". - Л.:Г0И,1987,с.240.

A3. А.Н.Алпатьев, Е.В.Жариков, С.П.Калитин, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Эффективный лазер (Х=2,088мкм) на нттрнй-скан-дий-галлиевом гранате с ионами хрома, тулия и гольмия при комнатной температуре." Квантовая электроника, т. 14, JS5

(1987), с.922.

A4. А.Н.Алпатьев, Е.В.Жариков, С.П.Калитин, В.А.Смирнов,

A.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Лазер на ионах гольмия в кристалле иттрий-скандий-галлиевого граната, работающий в режиме модулированной добротности". Препринт ИОФАН. М., 1987» #346; Квантовая электроника, т. 15. J65 (1988). с.960.

А5. А.Н.Алпатьев, Е.В.Жариков» С.П.Калитин, М.А.Ногинов,

B.Г.Остроумов, З.С.Саидов, В.А.Смирнов, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Кристаллы хромодержащих иттрий-скандий-галлне-вых гранатов с ионами Er3,.Tm3t,Ho3t- активные среды лазеров ПК-диапазона повышенной эффективности". Препринт ¡ЮФАН, Ы.,

1987. .¥207; Известия АН СССР, серия физич., т.52, »2, 342

(1988).

Аб. А.Н.Аллатьев, Е.В.Жариков. С.П.Калитин, В.А.Смирнов,

A.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Генерация гигантского импульса в Т£М00 (Х=2.088мкм) на кристалле HCIT-Cr-Tm-Ho с ламповой накачкой". Квантовая электроника, т.16 *4. (1989), с.672.

А7. А.Н.Аллатьев, В.И.Конов, А.М.Прохоров, А.С.Силенок.

B.А.Смирнов, А.Ф.Умысков. И.А.Щербаков. "Лазер с активными элементами из кристаллов ИСГГ-Сг-Wd и ИСГГ-Сг-Tm-Ho излучаиций на длинах волн 1.06 и 2,088мкм". Квантовая электроника, т. 16, JS4. (1989), с.673.

А8. А.Н.Аллатьев, Е.В.Жариков, А.И.Загуменный, Д.А.Зубен-ко, С.П.Калитин, Г.Б.Лутц, М.А.Ногинов, В.А.Смирнов, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Гольмиевый лазер (Х=2,09мкм) на кристалле ГСАГ-Сг3+-Тт3+-Но34, работающий при комнатной температуре". Квантовая электроника, т.16, №11, (1989), с.2176.

А9. А.Н.Аллатьев, Е.В.Жариков, А.И.Загуменный, С.П.Калитин, Г.Б.Лутц, И.Р.Рустамов, В.А.Смирнов, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "Влияние спектрального состава возбуждающего света на спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики кристаллов ИС1Г:Сг3\Тт3\Но3+ и ГСАГ:Сг3\Тт3\Но34". Препринт ИОФАН, М., 1989, «38.

А10. А.Н.Аллатьев, Л.Л.Денисов, Е.В.Жариков, А.И.Загуменный, Д.А.Зубенко, С.П.Калитин, Г.Б.Лутц, М.А.Ногинов, И.Р.Рустамов, З.С.Саидов, В.А.Смирнов, И.Т.Сорокина, А.Ф.Умысков, И.А.Щербаков. "2-мкм. лазеры на кристаллах скандиевых гранатов с хромом". Тезисы докладов на YI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров".-Л.:ГОИ, 1990, с.38. All. А.Н.Аллатьев, А.Л,Денисов, Е.В.Жариков, Д.А.Зубенко,

C.П.Калитин, М.А.Ногинов, З.С.Саилов, В.А.Смирнов, А.Ф.Умысков, И.А.Щербакбв. "Лазер двухмикромотрового диапазона