Лазеры на кристаллах LiF с центрами окраски и лазерная спектроскопия ионов Nd3+ в кристаллах CaF2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

российская академия наук

научный центр лазерных материалов и технологий института общей физики

На правах рукописи УДК 621.373.826

Федоров Владимир Вадимович (01.04.21 - лазерная физика)

лазеры на кристаллах ш с центрами окраски и лазерная спектроскопия ионов ш3+ в кристаллах сар2 .

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: д.ф.м.н., профессор Т.Т.Басиев д.ф.м.н., А.Я.Карасик

Москва-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 4

ГЛАВА 1 Использование кристаллов с центрами окраски при создании лазерных источников излучения для спектроскопических исследований

1.1 Обзор литературы

а) Центры окраски в щелочно-галлоидных кристаллах............. ^

б) Некоторые общие свойства центров окраски....... ............ гз

в) Использование ЫР:Б2" кристаллов в качестве пассивных модуляторов добротности и активных сред для твердотельных перестраиваемых лазеров....................................

1.2 Стабилизация энергии излучения УАС:Ш3 лазера с пассивным

затвором на основе кристаллов 1лЕ:Р2~.............................. ^

1.3 Эффективные лазеры на основе кристаллов ЬШ^г"...... ............. 48

1.4 Лазеры на основе кристаллов ШчБг" с перестраиваемым коллинеарным акустооптическим фильтром.............. ......................... И

1.5 Перестраиваемые пикосекундные лазеры на основе кристаллов ЫБ^г".....

1.6 Многочастотная и широкополосная лазерная генерация на основе кристаллов с ЦО...................................................

Выводы к первой главе............... .............................нг

ГЛАВА 2 Исследование агрегатных оптических центров иона неодима во фторидных кристаллах с помощью когерентных методов лазерной спектроскопии.

2.1 Введение................... ....................................т

2.2 Неоднородное расщепление и уширение линий поглощения иона Ыс13+ в кристаллах СаБ2.................................................. ^

2.3 Селективное насыщение линий поглощения М и N центров в кристалле СаР2:Ш3+....................................................... Ш

2.4 Оптическая эхо-спектроскопия и фазовая релаксация ионов Ш3+ в кристаллах СаБг....................................................................................................т

Выводы ко второй главе............................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................165

ЛИТЕРАТУРА.......................................................... 168

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы большое количество работ посвящено исследованию фундаментальных свойств парных оптических центров редко-земельных (РЗ) элементов, таких как: тонкое расщепление линий, быстрый перенос энергии, антистоксовая люминесценция, кооперативная люминесценция. В ряду РЗ элементов неодим занимает особое место, поскольку является наиболее широко используемым активаторным ионом для лазерных кристаллов. В кристаллах полосы поглощения ионов неодима,

соответствующие различным оптическим центрам, значительно разнесены друг относительно друга по шкале частот. Кроме того, в этих кристаллах происходит сильная кластеризация ионов неодима. Это приводит к тому, что уже при концентрации неодима 0.3 весовых % основная часть примеси неодима сосредоточена в парных (М центр) и четверных (И центр) кластерах. Все это делает кристаллы СаР2:Ш3+ удобным объектом для исследования коллективных взаимодействий ионов неодима.

Одним из эффективных способов исследования свойств примесей является лазерная спектроскопия, включающая в себя такие методы как: селективное лазерное возбуждение люминесценции, спектральное выжигание провалов, фотонное эхо, измерение кинетики насыщенного поглощения и затухания люминесценции. Развитие селективной лазерной спектроскопии в большой степени связано с развитием перестраиваемых лазеров на красителях. Прогресс, достигнутый в последние 20 лет в исследованиях и применении перестраиваемых лазеров на центрах окраски (ЛЦО), позволяет рассчитывать на все более широкое их использование в различных разделах лазерной спектроскопии. Лазеры на центрах окраски имеют ряд преимуществ по сравнению с лазерами на красителях: это новые области спектра генерации (в первую очередь ИК область спектра от 0.9 до 4 мкм), широкая область непрерывно

перестраиваемых длин волн; хорошие теплофизические параметры кристаллов (высокая теплопроводность, слабая зависимость показателя преломления от температуры).

В настоящее время существует большое количество работ и обзоров, посвященных использованию ЦО в квантовой электронике. Однако, несмотря на это, некоторые существенные особенности генерации кристаллов ГлБ с ЦО (1лР:Р2~) остались вне рамок исследований. К этим особенностям относится, например, сочетание значительных ширин линий поглощения и люминесценции ЦО и их перекрытие вследствие небольшого стоксова сдвига этих полос. В результате основные параметры генерации Ш^Бг" лазеров, такие как диапазон перестройки, эффективность при накачке в область перекрытия полос поглощения и накачки, сильно зависят от оптимизации параметров лазера накачки и активной среды с центрами окраски.

Задачами, поставленными к диссертационной работе были:

1) оптимизация генерационных характеристик перестраиваемых лазеров, использующих кристаллы ЦЙ^Бг", с целью повышения эффективности генерации и преобразование перестраиваемого лазерного ИК излучения в видимый и УФ диапазоны спектра;

2) исследование тонкой структуры линий поглощения М и N центров ионов неодима в кристалле СаР2 методами лазерной спектроскопии с временным разрешением и селективного насыщения поглощения;

3) исследование процесса оптической фазовой релаксации ионов Ш3+ в кристаллах СаБ2 методом Аккумулированного Фотонного Эха (АФЭ).

На защвту выносятся следующие положения:

1. Экспериментально обнаружена и теоретически, на основе точечной модели, объяснена сильная зависимость эффективности генерации и диапазона перестройки ЬФ^г" лазера от длины волны лазера накачки, попадающей в область перекрытия полос поглощения и усиления. В результате достигнуто увеличение эффективности генерации 1лБ:Р2" лазера с 22% до 39% и расширение диапазона перестройки на 450А (с 1.09-1.27 мкм до 1.065-1.29 мкм) при замене УАС:Ш3+ (ки=1.064 мкм) лазера накачки на УЪР:Ш3+ (Ян^1.047 мкм) лазер.

2. В результате оптимизации получено преобразование перестраиваемого ИК излучения 1лР:Р2" лазера во вторую, третью и четвертую гармоники, в видимом и УФ диапазонах 535-625 нм, 362-412 нм, 272-310 нм с эффективностью преобразования в максимуме перестроечной кривой 30%, 17% и 18% соответственно.

3- В режиме наносекундной накачки излучением УА&Кё3* лазера с частотой повторения импульсов 1-5 КГц реализована акустооптическая синхронизация мод и пикосекундная генерация ЬШ:Р2" лазера с длительностью импульсов 400 пс, эффективностью 15%.

Ч. В режиме пикосекундной (6-8 пс) синхронной накачки получена высокоэффективная перестраиваемая генерация пикосекундного 1лР:Р2" лазера с длительностью импульсов генерации менее 2 пс, эффективностью генерации до 35% и пиковой мощностью свыше 100 МВт.

5". Реализовано рекордное значение ширины спектра излучения генерации 1лР:Р2" и ЬШ;р2+ лазеров. Спектры наносекундного импульса широкополосной и многочастотной генерации имели ширину до 1300 А (1100-1230 нм) для генерации Ш^г" лазера и до 1200 А (900-1020 нм) для генерации ЬШ:Р2+ лазера с

эффективностью преобразования 16% и 20% соответственно. Согласование спектрально-угловой зависимости широкополосного излучения и угловой зависимости фазового синхронизма позволило получить удвоение частоты ИК излучения с рекордной шириной спектра до 1300 А на одном нелинейном кристалле. В результате реализованы спектры генерации второй гармоники наносекундного импульса в широком видимом диапазоне спектра 550-615 нм для 1лР:Р2" лазеров и 450- 510 нм для ЬШ:Рг+ лазеров с интегральной эффективностью преобразования до 12%.

6. Методами абсорбционной и оптической эхо спектроскопии обнаружено тонкое динамическое расщепление штарковских уровней мультиплета достигающее 2.4 см"1 в парных и 3.3 см"1 в квартетных центрах ионов неодима в кристаллах СаБ2, обусловленное сильным когерентным взаимодействием ионов Ш3+ внутри кластеров. Построена энергетическая диаграмма уровней для когерентно связанных пар Ш-Ш, соответствующая одиночному и двукратному возбуждению агрегатного центра.

7- С помощью кинетических исследований пикосекундного аккумулированного фотонного эха при селективном лазерном возбуждении измерены скорости фазовой релаксации, однородные ширины линий и их температурные зависимости для перехода %/2 -^Ож^па ионов Ш3+ в парных и квартетных центрах. Показано, что механизм оптической дефазировки в кристалле СаБ2:Ш3+ хорошо описывается прямыми релаксационными однофононными переходами между штарковскими компонентами в основном и возбужденном состояниях. Определены скоростные параметры однофононных меж-штарковских релаксационных переходов в основном и возбужденном мультиплетах.

Научная новизна работы

а) Впервые продемонстрирована возможность получения генерации лазеров на ЦО 1лБ:р2" с электронной перестройкой длины волны генерации на базе акустооптического селектора.

б) Впервые в квазинепрерывном режиме генерации 1лБ:Р2" лазера с высокой частотой повторения импульсов (1-5 кГц) реализована пикосекундная генерация при помощи активной акустооптической синхронизации мод.

в) продемонстрирована возможность получения эффективной многочастотной и широкополосной генерации 1лР:Р2" и 1лР.Р2+ лазеров с ширинами спектров генерации, превышающими 1000 см"1

г) на одном нелинейном кристалле реализовано синхронное удвоение широкополосных импульсов ИК генерации в сине-зеленый и зелено-красный диапазоны спектра с шириной спектра до 700 см"1.

д) Впервые обнаружено динамическое Давыдовское расщепление нижнего Штарковского подуровня состояния при когерентном взаимодействии ионов Ш3+ в кластерных центрах в кристалле СаР2:Ш3+.

е) Впервые построена диаграмма энергетических уровней парного центра когерентно связанных ионов неодима, соответствующая одиночному и двойному возбуждению центра.

ж) Впервые определены скорости и механизмы фазовой релаксации парных и квартетных центров ионов неодима в кристаллах СаБ2 в температурном диапазоне 9-5 0К на переходе %п ->405/2,207/2.

Практическая ценность.

Предложен метод стабилизации энергии генерации УАО:Ш3+ лазера с пассивным модулятором добротности на основе кристалла 1лР:Б2~, позволяющий устранить влияние флуктуаций количества продольных мод на энергию в импульсе генерации и улучшить

стабильность генерации в 4 раза (до ±3.3%) по сравнению со схемой резонатора с линейной поляризацией излучения

В работе удалось повысить в два раза эффективность генерации LiF:F2" лазера с селективным резонатором доведя ее до 39% по падающей на кристалл энергии излучения накачки.

Реализована акустооптическая электронная перестройка длин волн генерации и синхронизация мод LiF:F2~.

В режиме многочастотной и широкополосной генерации получены импульсы генерации с шириной спектра, превышающей 1000 А в ближнем ИК диапазоне спектра. Реализовано удвоение широкополосного ИК излучения LiF:F2~ и LiF:F2' лазеров со спектром импульсов генерации свыше 700 см"1 в видимом диапазоне на одном нелинейном кристалле.

Апробация работы и публикации.

Результаты, полученные в работе, защищены патентом Российской Федерации и доложены на следующих международных и Российских конференциях:

1. «Международная Конференция по перестраиваемым лазерам», Байкал, 1989

2.Conferense on Lasers and Electro-Optics CLEO 92, Baltimore, May, 1992.

3.VII Всесоюзная конференция «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, 1993.

4.XI International Congress "Laser 93",Germany, 1993.

5.IX Всесоюзный семинар-совещание «Спектроскопия лазерных материалов», Краснодар, 1993.

6.Еигореап Quantum Electronics Conference, 1994.

7. International Conference on Spectral Hole-Burning and Related Spectroscopies: Science and

Applications,Tokyo, 1994

8.«Международная Конференция по перестраиваемым лазерам», Минск, 1994

9.International Symposium on "Laser Methods for biomedical Applications", Heraklin, Greece, 1996

10.International Conference on Tunable Solid State Lasers, 1996

11.International Conference on Luminescence and optical spectroscopy of condensed matter, Prague, 1996

Результаты работы представлены в следующих научных публикациях:

1.Т.Т. Басиев, П.Г. Зверев, Ф.В. Карпушко, В.А. Конюшкин, С М. Кулащик, С.Б. Миров, В. П. Морозов, В.С.Моткин, А.Г.Папашвили, Н.А.Саскевич, Г.В.Синицын, В.В.Федоров «Генерационные характеристики перестраиваемых лазеров на радиационных центрах серии «МАЛСАН-200», Известия академии наук СССР т54, N8, (1990)1450-1455.

2.Т.Т.Басиев, П.Г.Зверев, С.Б.Миров, А.Г.Папашвили, В.В. Федоров «Расширение спектрального диапазона перестраиваемого лазера на цетрах окраски «МАЛСАН-201», Труды 5 Межд. Конф. по перестраиваемым лазерам, часть 1, 1989, Байкал. Новосибирск, (1990)344-348

3.М.Х.Ашуров, Т.Т.Басиев, Л.И.Мазур, М.М.Мазур, Х.М.Махмудов, С.Б.Миров, В.Г.Пак, В.В.Федоров «Лазер на кристалле LiF с F2" центрами окраски, перестраиваемый коллинеарным акустооптическим фильтром», Журнал прикладной спектроскопии, т55, N3, (1991)501-502

4.Т.Т. Basiev, Yu.K. Voron'ko, N.A. Es'kov, A.Ya. Karasik, A.A. Sobol, S.N. Ushakov, V.V. Fedorov, M. Helbig "Calcium-niobium-gallium garnets with Nd: a new active medium for lasers with ultrashort pulse duration", in Solid State Lasers and New Laser Materials,

Vyacheslav V. Osiko, Editor;Arthur A. Мак, Arkadii Z. Grasiuk,Associate Editors,Proc. SPIE 1839, (1992)91-104

5.T.T. Basiev, V.A. Konushkin, S.B. Mirov, V.V. Ter-Mikirtychev, V.V. Fedorov, "Efficient F2+ and F2" color center lasers in LiF " Abs. Rep. of Conferense on Lasers and Electro-Optics CLEO 92, Baltimore, May,(1992).

6.T.T. Басиев, В.А. Конюшкин, СБ. Миров, B.B. Тер-Микиртычев, B.B. Федоров «Генерационные характеристики широкополосных и перестраиваемых лазеров на основе кристаллов LiF с F2+ и F2" центрами окраски, работающих при комнатной температуре»// Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, (1993),66.

7.Т.Т. Басиев, А.Я. Карасик, В.В. Федоров, P.JI. Шубочкин «Высокоэффективная генерация перестраиваемых пикосекундных импульсов в лазере на основе кристалла LiF:F2"» Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, (1993)78.

8.Т.Т.Басиев, П.Г.Зверев, В.В.Федоров, «Широкополосная и многочастотная генерация LiF:F2" лазера», Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, (1993)79.

9.Т.Т.Басиев, А.Г. Папашвили, П.Г. Зверев, В.В.Федоров, «Расширение спектрального диапазона перестройки и улучшение эффективности перестраиваемого по частоте лазера на Р2"-центрах окраски в кристаллах LiF», Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, (1993)81.

10.Т.Т.Басиев, В.А. Конюшкин, С.Б. Миров, В.В. Тер-Микиртычев, В.В. Федоров, «Генерационные характеристики широкополосных и перестраиваемых лазеров на основе кристаллов LiF с F2" и F2+ центрами окраски, работающих при комнатной

температуре» Тезисы докладов 9 Всесоюзного семинара- совещания «Спектроскопия лазерных материалов», Краснодар, (1993)53-54.

11.T.T.Basiev, S.B.Mirov, P.G.Zverev, V.V.Fedorov, I.V. Kuznetsov, "Superbroadband and Synchronized Multiline Oscillation of LiF:F2" Color Center Laser", Proceedings of 11 International Congress "Laser 93", Springer-Verlag Beglin Heidelberg (1994)91-104.

12.T.T. Basiev, V.V. Fedorov, V.V. Ter-Mikirtychev, S.B. Mirov, P.G. Zverev, A.G. Papashvili, "Narrowline High Efficient Tunable LiF:F2+ and LiF:F2" Color Center Lasers for Near IR and Visible Spectral Regions" Proceedings of 11 International Congress "Laser 93", SpringerVerlag Beglin Heidelberg (1994)922-924.

13.T.T. Басиев, А.Б. Грудинин, А.Я. Карасик, А.К. Сенаторов, А.А. Соболь, В.В. Федоров, P.JI. Шубочкин, «Пикосекундный лазер с активной синхронизацией мод на основе кальций-литий-ниобий-галлиевого разупорядоченного граната», «Квантовая электроника», 21, N1, (1994)89-90

14 Т.Т. Басиев, В.А. Конюшкин, СБ. Миров, В.В. Тер-Микиртычев, В.В.Федоров «Генерационные характеристики перестраиваемых лазеров на основе кристаллов LiF с F2+ и F2- центрами окраски, работающие при комнатной температуре», «Оптика и спектроскопия», т74, вып.6, (1993)1217-1221

15.K.W.Ver Steeg, R.J.Reeves, V.V.Fedorov, A.Ya.Karasik, T.T.Basiev, RC.Powell, "Accumulated Photon Echo Spectroscopy of Ordered (CaF2) and Disordered (CaF2-YF3) crystals with Nd3+ ions", in Spectral Hole-Burning and Related Spectroscopies: Science and Aplications, vol 15, 1994 OS A Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, DC, (1994)158-161

16.K.W.Ver Steeg, RJ.Reeves, V.V.Fedorov, A.Ya.Karasik, T.T.Basiev, R.C.Powell, "Accumulated Photon Echo (APE) in Ordered and Disordered fluoride crystals with Nd

ions", in Eropean Quantum Electronics Conference, IEEE Catalog Number 94TH0615-5, Technical Digest Series, (1994)58-59

17.K.W. Ver Steeg, R.J. Reeves, V.V. Fedorov, A.Ya. Karasik, T.T. Basiev, R.C. Powell, "Picosecond Photon Echo Spectroscopy in Ordeded ana Disordered Fluoride Crystals Doped with Nd Ions",IQEC-94 Technical Digest v.9 QWD4, (1994)

18 T.T. Басиев, А.Г. Папашвили, П.Г. Зверев, С.Б. Миров, В.В. Федоров,«Перестраиваемый лазер», Патент Российской Федерации N 2023333 от 15.11.94

19.Т.Т. Basiev, I.V. Ermakov, V.A. Konushkin, V.V. Fedorov, P.G. Zverev, "Oscillation of LiF:F2+- stabilized color center crystals at room temperature", Proc. of Inter. Conf. on Solide State Lasers, (1994) 64-67

20.T.T. Basiev, S.B. Mirov, P.G. Zverev, V.V. Fedorov, "Solid state laser with superbroadband or control generation spectrum",Proc. SPIE 2379, (1995) 54-61

21.K.B. Ферстиг, T.T. Басиев, А.А. Волков, А.Я. Карасик, Г.А. Командин, K.K. Пухов, В.В. Федоров, «Аккумулированное фотонное эхо и процессы оптической дефазировки в упорядоченных и разупорядоченных фторидных кристаллах с ионами Nd3+», Труды X Феофиловского симпозиума по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, Санкт-Петербург, (1995)75

22.К.В. Ферстиг, Т.Т.Басиев, А.Я.Карасик, К.К.Пухов, В.В. Федоров, «Аккумулированное пикосекундное фотонное эхо в многоцентровых кристаллах CaF2:Nd3+», Труды X Феовиловского симпозиума по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, Санкт-Петербург, (1995)268-269

23.К.В. Ферстиг, Т.Т.Ба�