Неодимовые лазеры с пассивной модуляцией добротности кристаллами, содержащими ионы хрома тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



.. Г !

. \ч..1' российская академия наук и институт общей физики

На правах рукописи УДК 621.375

климов игорь викторович

НЕОДИМОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ 10БР0ТН0СТИ КРИСТАЛЛАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ИОНЫ ХРОМА.

01.04.21-лазерная физика

—» V

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 1997 г.

Работа выполнена в отделе "Лазерные кристаллы" Института общей физики РАН.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук

член-корр. РАН

И.А.Щербаков

кандидат физико-математических наук В.Б.Цветков

доктор физико-математических наук Г.М.Зверев

доктор физико-математических наук

А.Я.Карасик

НИИЯФ МГУ

Защита диссертации состоится " " ¿(¿¿'¿^Л 1997 г. в ^ часов на заседании Специализированного совета К 003.49.02 Института общей физики РАН по адресу: 117942 Москва, ул.Вавилова, д.38.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат.наук

Т.Б.Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием полупроводниковых лазерных диодов, разработками на их основе мощных неодимовых лазеров и последними достижениями в области создания насыщающихся поглотителей нового поколения на основе кристаллов, содержащих ионы Cr4f.

Прогресс полупроводниковой лазерной техники, достигнутый в последнее десятилетие, привёл к широкому использованию лазерных диодов для селективной, высокоэффективной накачки твердотельных лазеров. Устойчивое снижение стоимости одного ватта мощности, получаемой с помощью лазерных диодов, расширение спектрального диапазона генерируемых длин воли при значительном увеличении надёжности способствует постепенному вытеснению метода ламповой накачки твердотельных лазеров и замены его накачкой лазерными диодами прежде всего для систем с малой и средней мощностью.

Развитие метода диодной накачки привело не только к увеличению эффективности и компактности лазерных систем, но и изменило требования, предъявляемые к лазерному материалу. Благодаря возможности точного согласования спектра генерации диода и спектра поглощения активного иона, приводящему к значительному снижению тепловыделения в кристалле, стало возможным использовать материалы, не обладающие высокими термооптическими параметрами. Это способствовало проявлению нового интереса к целым классам твердотельных активных материалов, таким как фториды, фтораппатиты, фторосиликаты, ванадаты, бораты и другим, генерация на которых была получена

достаточно давно, но которые не нашли широкого практического применения в системах с ламповой накачкой. Понимание требований, предъявляемых диодной накачкой к лазерному материалу, позволило создать ряд новых перспективных лазерных материалов, специально ориентированных для диодной накачки, одним из которых является ванадат гадолиния^ЫскО^УО^ разработанный в Институте общей физики РАН1.

Обнаружение насыщающегося поглощения в кристаллах, активированных ионами Сг4+, усилило интерес к методу пассивной модуляции добротности резонатора для получения мощных лазерных импульсов наносекундного диапазона длительностей. Высокая стабильность свойств и отсутствие деградации параметров данных кристаллов при хранении и долговременной эксплуатации открывают широкие перспективы использования метода пассивной модуляции добротности в системах с импульсной, импульсно-периодической и. непрерывной накачкой. Несмотря на то, что первая публикация, посвященная применению кристалла Сг^вБвС в качестве насыщающегося поглотителя для неодимового лазера появилась в 1984 году2, до сегодняшнего дня открытым остаётся ряд вопросов, связанных с точным определением основных параметров данных материалов, таких как величины сечения поглощения из основного и возбуждённого состояния, а также причин остаточного поглощения в кристаллах и особенностей влияния кристаллической структуры

1 А.И. Загуменный, В.Г.Остроумов, И.А.Щербаков, Т.Йенсен, Я.П.Мейен, Г.Хубер, "Кристаллы Ос1У04:1^с1 - новый материал для лазеров с диодной накачкой", Квантовая электроника, 19, N 12, 1992 ,стр. 1149-1150.

2 Г.С.Круглик, Г.А.Скрипко, А.П.Шкадаревич. Перестраиваемые лазеры на активированных кристаллах.-Минск: изд.Белорусского политехнического института, 1984.

модулятора на параметры насыщаемого поглощения и на выходные характеристики лазеров с использованием кристаллов данного типа.

Исследования пассивной модуляции добротности лазеров с диодной накачкой и внутрирезоиаторным преобразованием частоты представляют отдельный интерес, поскольку на их основе возможна реализация компактных лазерных систем, генерирующих одночастотное излучение в ближнем ИК-, видимом и УФ-диапазонах спектра.

Все вышесказанное определило цели и задачи дайной диссертационной работы. а именно:

- исследование особенностей режима пасагвной модуляции добротности с помощью кристаллов, содержащих ионы Сг*+:

- исследование и разработка схем лазеров с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности кристаллами, содержащими ионы Сг4*;

- исследование многопичкового режима генерации и тепловыделения в пассивном затворе в лазерах с ламповой накачкой;

- исследование и уточнение параметров насыщения кристаллов ряда гранатов, активированных ионами Сг4*;

исследование эффекта поляризационной анизотропии насыщаемого поглощения кристаллов ряда гранатов, активированных ионами Сг4* и его влияния на выходные параметры лазеров. Научная новизна.

» Обнаружено влияние эффекта поляризационной анизотропии насыщения поглощения в кристаллах, активированных ионами С г44-, используемых в качестве пассивных модуляторов добротности, на временные, энергетические и поляризационные свойства неодимовых лазеров.

• Исследован многопичковый режим генерации, а также измерено тепловыделение и величина термической линзы в пассивных затворах на основе кристаллов Сг4+:У5СС при работе в лазерах с импульсной ламповой накачкой.

• Исследован режим пассивно!! модуляции добротности лазера на основе нелинейного лазерного кристалла Кс1:УА1з(ВОз); продемонстрирована возможность создания на его базе компактного источника излучения в ближнем ИК-, видимом, и УФ-диапазонах спектра.

• Для лазеров с фиксированным уровнем накачки мощными лазерными диодами предложен и реализован вариант схемы асимметричного У-образного резонатора с большим углом наклона центрального сферического зеркала для компенсации сильного астигматизма (>10:1) пучка накачки и эффективной генерации центрально-симметричной ТЕМоо моды .

• Реализован высокостабильный одночастотный режим генерации Нс1:УАС-лазсра с высокой энергией гигантского импульса (160 мкДж, длительность - 2.7 не, частота - до 3 кГц) в линейной схеме резонатора при непрерывной продольной накачке излучением мощной диодной матрицы с волоконным выходом и пассивной модуляцией добротности кристаллом Сг^вБОв без использования дополнительной частотной селекции.

Практическая значимость работы заключается в выявлении особенностей режима пассивной модуляции добротности неодимовых лазеров с помощью затворов, содержащих ионы Сг4* , разработке ряда лазеров с их использованием и демонстрации перспектив и возможностей для создания компактных схем лазеров с диодной накачкой, генерирующих одночастотное импульсное излучение как в ближнем ИК-, так и в видимом и УФ-диапазонах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах отделов колебаний и лазерных кристаллов Института общей физики РАН, Физического факультета Университета г.Кайзерслаутерн, Германия, а так же на международных конференциях: Advanced Solid State Lasers, 1993, 1996, "Физика лазеров", г.Дубна, 1993, CLEO-EUROPE, 1994, 1996,' CLEO-USA, 1995,1997, Verhandlungen der DPG, Mainz, Germany,1997. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 136 наименований. Полный объём диссертации составляет 148 страниц, включая 69 рисунков и 9 таблиц. Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическое значение, кратко изложено основное содержание разделов диссертации, а также сведения о публикациях и апробации работы.

Первая глава является обзорной. В ней даётся краткий сравнительный анализ различных типов насыщающихся поглотителей, а также подробный обзор публикаций, посвященных исследованиям кристаллов, содержащих ионы Сг"+ и лазеров с их использованием. На основе анализа литературных данных делается вывод о том, что, несмотря на достаточно широкое использование кристаллов данного типа в качестве пассивных модуляторов добротности неодимовых лазеров, нерешённым остаётся ряд вопросов, касающихся точного определения величины сечения поглощения перехода 3А]~>3Т2, а также причин остаточного поглощения в данных кристаллах. Принятое различными отечественными и зарубежными авторами мнение об

определяющем влиянии поглощения из возбуждённого состояния 3Т2 на остаточное поглощение кристаллов представляется не вполне обоснованным, поскольку, как правило, базируется только на спектроскопической модели центра и численном моделировании кривой просветления без учёта влияния паразитного поглощения. В то же время, большое число экспериментальных данных не позволяет пренебрегать возможностью существования паразитного ненасыщаемого поглощения, не связанного с внутрйцентровыми процессами ионов Cr4*" в тетраэдрической координации.

Весьма важным в процессе изучения свойств поглощающего центра является обнаружение эффекта поляризационной анизотропии насыщения поглощения в кристалле Cr4+:YAG, обусловленного преимущественной ориентацией поглощающих диполей вдоль основных кристаллографических осей.

Большое внимание в данной главе уделяется обзору параметров генерации различных лазеров с пассивной модуляцией добротности с помощью кристаллов, содержащих ионы Cr4"1, и особенно последним достижениям в области разработки лазеров с диодной накачкой.

В заключение дан краткиий анализ перспектив дальнейших применений кристаллов, активированных ионами Сг4+ в качестве пассивных модуляторов добротности твердотельных лазеров.

Вторая глава посвящена изучению эффекта поляризационной анизотропии насыщения и параметров насыщения поглощения ряда кристаллов, принадлежащих к семейству гранатов, таких как GSGG, YSGG, LuAG и YAG. Проявление данного эффекта в кристалле Cr4+:YAG исследовалось ранее3-4, поэтому включение кристалла

3H.Eilers et all."Saturation of 1.064 цш absorption in Сг,Са:УзАЬО|2 crystals",

Appl.Phys.Lett. 61 (25), 1992,pp.2958-2960.

Сг4+:УАС в ряд исследуемых имело целью проведение сравнительных измерений. Эффект поляризационной анизотропии насыщения поглощения вызывает сдвиг по оси интенсивностей кривой просветления кристалла в зависимости от ориентации вектора напряжённости поля относительно одной из основных кристаллографических осей, что может приводить к различиям в процессе развития генерации при изменении углового положения затвора.

Экспериментально показано, что данный эффект свойственен всем исследованным кристаллам. При этом, характерная модуляция коэффициента пропускания наблюдается для оптически однородных кристаллов. При наличии механических напряжений симметричная регулярная картина нарушается или полностью исчезает.

Целью моделирования экспериментальных результатов было получение аналитической зависимости коэффициента пропускания среды от угловой ориентации вектора напряжённости поля относительно оси кристалла [100] и интенсивности пучка. Для случая распространения излучения вдоль оси кубического кристалла [001] коэффициент пропускания затвора может быть выражен как:

Т = cos2 0 ■ ехр

-al

1 +

г Q cos2 в

AtQ,

+ sin1 в ■ ехр

-а 1

1 +

г Q sin2 в

AtQ,

/IV

где Q - плотность энергии зондирующего импульса, Qs=--

плотность энергии насыщения, г-время жизни верхнего уровня иона Сг4+, М - длительность зондирующего импульса; О -угловая

4 Н.Н.Ильичев, А.В.Кирьянов, П.П.Пашишш, С.М.Шпуга "Исследование анизотропии нелинейного поглощения в кристалле ИАГ:Сг*+ ", ЖЭТФ, т. 105, N5, 1994, с. 1426-1441.

ориентация плоскости поляризации зондирующего излучения относительно кристаллографической оси [100].

Экспериментальные исследования насыщения поглощения большого числа кристаллов, активированных ионами Сг4+ и анализ полученных результатов с привлечением различных моделей описания кривой насыщения позволили сделать вывод о том, что величина сечения поглощения из основного состояния лежит в диапазоне 1.5 -3-Ю-18 см2 для всех исследованных кристаллов. Показано, что кривые насыщения поглощения могут быть описаны с достаточной степенью точности как с учётом одновременного поглощения из возбуждённого состояния и паразитного ненасыщаемого поглощения, так и с каждым из этих эффектов по-отдельности. Поэтому, ни один из использованных методов описания кривой насыщения не позволяет точно определить реальную причину остаточного поглощения в кристаллах, содержащих ионы Сг4*. Однако, исследования насыщения поглощения в монокристаллических волокнах Сг^гУАС и Сг^ЬиАС, выращенных методом минипьедестала с лазерным нагревом5 и прямые измерения поглощения из возбуждённого состояния в кристаллах, выращенных методом Чохральского6,7, указывают на природу остаточного поглощения в области спектра, соответствующей излучению неодимовых лазеров, не связанную с внутрицентровыми процессами ионов Сг44-.

5 D.A.Nikolaev et al."Growth and characterization of the Cr4* doped crystal fibers", Technical Digest of CLEO/EUROPE'96 Conference/1996, paper CFD5.

'S.Kueck, K.L. Schepler, K.Petermann, G. Huber "Excited state absorption and stimulated emission measurements of Cr4+-doped Y3AI5O12, Y3Sco.9Al4.1O12 and CaY2Mg2Ge30i2 ", OSA Trends in Optics and Photonics Scries Volume on Advanced Solid-State Lasers'96, 1996, p.94-99.

'R.Moncorge et al."Q-switch and excited state absorption experiments with Cr4+:LuAG single crystals", OSA Trends in Optics and Photonics Series Volume on Advanced Solid-State Lasers'96, 1996, p.445-447.

Третья глава посвящена исследованиям пассивной модуляции добротности тведотельных лазеров с ламповой накачкой. Благодаря высокой стабильности свойств насыщающихся поглотителей на основе кристаллов, содержащих ионы Сг4+, становится возможным использование пассивной модуляции в лазерах с высокой средней и импульсной мощностью и реализация режима многопичковой генерации при импульсной накачке. Проведённые экспериментальные исследования данного режима для различных неодимовых лазеров и последующие оценки результатов позволили связать параметры генерируемого излучения с материальными параметрами лазерной среды и затвора.

Экспериментально изучено тепловыделение и формирование термической линзы в затворе данного типа, для чего были проведены прямые измерения этих величин при работе кристалла Сг^УЗСв внутри резонатора лазера. Для оценки величины оптической силы наводимой в затворе термической линзы измерялось изменение интенсивности зондирующего пучка Не-Ие-лазера с длиной волны 543 нм в зависимости от мощности накачки в процессе лазерной генерации. При измерении тепловыделения затвор помещался в одно из плеч интерферометра Маха-Цандера, являющегося одновременно плечом У-образного резонатора лазера. Измерялась величина релаксационного сдвига интерференционной картины во время фазы охлаждения. Показано, что несмотря на отсутствие прямой ламповой накачки, величина формируемой в затворе термической линзы достаточно велика и составляла в условиях эксперимента почти 30% от величины термолинзы в кристалле Мс1:УАС, что оказывало существенное влияние на пространственные характеристики излучения.

Исследовались также спектральные характеристики излучения лазеров с пассивной модуляцией добротности. Использование

кристаллов, содержащих ионы Сг44- позволяет легко реализовывать одночастотную генерацшо без использования дополнительных селектирующих элементов в припороговом режиме. При значительном превышении порога в режиме многопичковой генерации в резонаторе с дополнительной селекцией поперечной ТЕМоо-моды реализуется одночастотная генерация в отдельном пичке с возможным изменением частоты генерации от пичка к пичку.

Четвёртая глава является наиболее обширной й посвящена исследованиям стационарной генерации и пассивной модуляции добротности лазеров с диодной накачкой. Генерационные испытания нового лазерного материала Кс1:Сс1У04 при продольной накачке излучением одноваттного лазерного диода 80Ь-2462 продемонстрировали нечувствительность к температуре диода в широких пределах от 5 до 35°С, что позволяет значительно снизить требования к температурной стабилизации системы накачки. Оценка оптической однородности кристалла в. процессе прямых генерационных испытаний показала высокое качество нового материала. Благодаря высокому значению коэффициента поглощения кристалла на длине волны накачки порядка 809 нм, достигающему 74 см-1 при концентрации N(1 1.5-1020см-3, значительно упрощается проблема согласования ТЕМоо-моды резонатора и излучения накачки, что позволяет относительно легко получить генерацию ТЕМоо-моды в широком диапазоне накачек лазерными диодами с ярко выраженным пространственным астигматизмом излучения. Проведенные теоретические оценки показали, что выходные параметры лазера на основе кристалла Ис1:Сс1У04 с непрерывной диодной накачкой с

8 Часть результатов, вошедших в данную главу была получена в рамках исследований по программе "Новые материалы для лазеров с диодной накачкой", проводимых совместно с Университетом г.Кайзерслаутерн, Германия, с 1993 по 1995г.

достаточной степенью точности описываются методами, применимыми для сред с однородноуширенным контуром усиления в приближении равномерного распределения внутрирезонаторного поля по длине кристалла.

Большое внимание в данной главе было уделено исследованиям влияния эффекта поляризационной анизотропии насыщения поглощения в затворах на основе кристаллов, содержащих ионы Сг*+ , на генерационные параметры неодимовых лазеров с диодной накачкой. В случае лазеров на основе анизотропных кристаллов, таких как Ы(1:Сс1У04 и ИёгУАЮз вращение затвора вокруг оптической оси резонатора приводит к изменению временных и энергетических параметров излучения (Рис. 1).

О 100 200 эта

Угол поворота затвора (град)

Рис.1. Зависимости энергии, длительности и частоты повторения выходных импульсов Ш^с^Од-лазера от угловой ориентации затвора.

При этом, для случая ИсЬСсТУОглазера с модулятором добротности на основе кристалла Сг^УАО (7о=91%), энергия и длительность импульсов изменялись почти на порядок. Мощность отдельного импульса, определяемая как Е,Ыг.11к:.т, в точках максимума и минимума отличалась более чем на два порядка. Поляризационные свойства излучения такого лазера полностью определяются положением активного элемента и изменение углового положения модулятора добротности не оказывает какого-либо влияния на ориентацию плоскости поляризации выходного излучения.

Для случая Мс1:УАС-лазера влияние эффекта поляризационной анизотропии насыщения поглощения пассивного затвора сказывется, главным образом, на поляризационных свойствах излучения. При использовании кристаллов Кс1:УАС с высокой оптической однородностью, при накачках вблизи порога, угловая ориентация затвора является определяющим фактором поляризационного состояния выходного излучения. В общем случае, на поляризационные свойства выходного излучения оказывают влияние угловая ориентация затвора, поляризационные свойства излучения накачки, превышение мощности накачки над порогом и механические напряжения или микронеоднородности лазерного кристалла. Характерным является эффект переключения плоскости поляризации в определённых точках поворота модулятора с периодом 90°. Для систем с накачкой линейно-поляризованным излучением, коллинеарная ориентация плоскостей поляризации накачки и выходного пучка является предпочтительной, поскольку обеспечивает наиболее стабильные выходные параметры излучения. При уровнях накачки, значительно превышающих пороговую величину, поляризационное состояние выходного пучка есть сложная функция всех перечисленных факторов. В этом случае

может наблюдаться как линейно-поляризованное, так и полностью деполяризованное выходное излучение.

Детальное исследование параметров генерируемого излучения в области переключения поляризации позволило выявить существенное влияние тепловых процессов на поляризационное состояние излучения, а также обнаружить поляризационный гистерезис, выражающийся в смещении точки переключения поляризации при прямом и обратном направлении вращения затвора.

Были проведены экспериментальные исследования зависимости параметров генерируемого излучения от соотношений величин сечения поглощения в затворе и сечения генерации в активном элементе, от геометрии резонатора, а также измерено остаточное поглощение в затворе в режиме генерации. Результаты исследований позволили сделать вывод о том, что основной особенностью пассивной модуляции добротности неодимовых лазеров с помощью Сг4+-содержащих кристаллов является реализация режима "медленного" включения добротности, когда скорость просветления пассивного затвора сравнима со скоростью истощения инверсии в активном элементе. Это обуславливает возможность неполного просветления затвора, проявление зависимости параметров генерации от углового положения затвора, а также чувствительность их к изменениям геометрии внутрирезонаторного пучка.

С увеличением выходной мощности лазерных диодов, сопровождаемым усилением астигматизма излучения, усложняется проблема согласования излучения накачки и моды резонатора при продольной накачке. Для компенсации сильного астигматизма пучка накачки и генерации центральносимметричной ТЕМм-моды нами использовался вариант асимметричного У-образного резонатора с большим (>15°) углом наклона центрального сферического зеркала. С

привлечением матричного метода описания резонатора показано, что при больших углах наклона центрального зеркала при работе вблизи границы устойчивости резонатора, ТЕМоо-мода может иметь явно выраженный астигматизм (более 20:1) в одном плече и центральносимметричное сечение в другом плече. При этом абсолютная величина большей оси сечения пучка вблизи- плоского зеркала может превышать 0.5-1 мм. Это позволяет осуществлять эффективную накачку в ТЕМоо-моду излучением мощного лазерного диода с ярко выраженным астигматизмом. Экспериментально продемонстрирована генерация централыюсимметричной ТЕМоо-моды Кс1:Сс1У04-лазера с пассивной модуляцией добротности и продольной накачкой излучением лазерного диода 80Ь-2382-Р1 с размерами излучающей площадки 500x1 мкм и размерами перетяжки пучка накачки порядка 40x400 мкм. Отмечается высокая чувствительность резонатора к изменению мощности накачки. При последующем матричном анализе полученной в эксперименте оптимальной геометрии резонатора отмечается существенное влияние термической линзы.

Большое внимание было уделено исследованию пассивной модуляции добротности лазера с самоудвоением частоты на основе нелинейного кристалла Кс1:УА1з(ВОз)4- иттрий алюминиевого бората9, активированного ионами Ис13+ (1<ГУАВ). Характерным является режим генерации непрерывной последовательности сдвоенных импульсов, принадлежащих двум различным частотам резонатора, наблюдаемый во всём диапазоне накачек за исключением узкой припороговой области.

9 L.M.Dorozhkin, I.I.Kuralev, N.I.Leonyuk, T.I.Timochenko, A.V.Shestakov "Optical second-harmonic generation in a new nonlinear active medium:neodimium-yttrium-aluminium-borate crystals. Sov.Tech.Phys.Lett. 7 (11), 1981, p.555.

Модель, основанная на численном решении системы скоростных уравнений, с достаточной точностью описывает работу NYAB лазера с непрерывной накачкой и пассивной модуляцией добротности с точки зрения мощности генерации, частоты повторения и формы генерируемых импульсов (Рис.2).

б

^ 4 о? 2

О 1С» & 75

й? » 25 0

5 *

® ЦВ

¿*рз

ДО

■С О3 3 цб

а> ^ _

р 54 00

; \ ихцоси* 1062 т

■— ... МЗЦССТЪ, 531 НЩ:

ЛвфОВЯ -кзеепэ+гхль КИ-

- \

-

\J насегёжаль О**.

607БМ04 ^ОТБЬЙО4

е^отдмо4 Время (с)

Рис.2. Расчётная динамика развития импульсов модулированной добротности NYAB-лaзepa на основной и удвоенной частоте, а также инверсной населенности и заселённости верхнего уровня С г4' при уровне накачки 1 Вт, Штриховыми линиями показано развитие импульса генерации на другой моде.

, Модель предсказывает возможность возникновения сдвоенных импульсов при двухчастотной генерации за счёт снижения порога генерации для более слабой моды, обусловленного насыщением поглощения затвора более сильной модой.

Наряду с генерацией четвёртой гармоники неодима (А.=266нм) с помощью кристалла /7-ВаВг04 (ВВО), получена эффективная генерация третьей гармоники (А=335 нм) с помощью нелинейного взаимодействия излучения лазера на основной и удвоенной частоте в

кристалле ЫВзСЬ (ЬВО). Реализация генерации третьей гармоники основана на особенности режима пассивной модуляции добротности лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты.

Выходная мощность(отн.ед)

Рис.3. Изменение параметров генерируемого излучения КУАВ-лазера с пассивной модуляцией добротности при увеличении прозрачности выходного зеркала на основной длине волны .

Поскольку в режиме пассивной модуляции добротности уровень потерь, вносимых затвором, достаточно высок, то дополнительное незначительное увеличение потерь за счёт частичного пропускания выходного зеркала на основной длине волны не приводит к существенному спаду внутрирезонаторной мощности генерации и, как следствие, мощности генерации на удвоенной частоте. Это позволяет . оптимизировать выходное зеркало с точки зрения получения максимальной эффективности генерации излучения суммарной частоты (Рис.3).

Появление мощных диодных матриц с выводом излучения в волоконный кабель с малой числовой апертурой, открывает возможности для значительного расширения диапазона применений продольной накачки. Были проведены генерационные испытания

Ш:УАС -лазера с пассивной модуляцией добротности (Сг4+:С5СО, 7о=60%) и продолт.ной накачкой излучением такой матрицы. В эксперименте использовалась лазерная диодная матрица из серии БЭЬ-3460 с выходом излучения в волоконный кабель с числовой апертурой

0.1. диаметром 1 мм, состоящий из 19 оптических волокон с диаметром 200 мкм каждый. Был реализован режим генерации одночастотных импульсов с энергией 160 мкДж, длительностью 2.7 не с частотой повторения до 3 кГц. Высокие пространственные, спектральные и энергетические характеристики излучения позволили продемонстрировать внешнее преобразование частоты с помощью кристалла КТР (синхронизм II рода) без фокусировки с эффекпгвностью преобразования более 50%.

В заключении сформулированы основные выводы.

1. Экспериментально продемонстрировано существенное влияние эффекта поляризационной анизотропии насыщения поглощения пассивного модулятора добротности на основе кристаллов, содержащих ионы Сг4* на энергетические, временные и поляризационные параметры лазеров с ламповой и диодной накачкой.

2. Показано, что в случае лазеров на основе анизотропных кристаллов, таких как Ис1:С(1У04 и Кс1:УАЬ0з, угловая ориентация затвора позволяет управлять , энергетическими и временными характеристиками генерируемых импульсов.

3. Показано, что для лазеров на основе кристаллов с изотропными оптическими свойствами, затвор поляризует излучение, а его угловая ориентация определяет направление вектора поляризации.

4. Экспериментально показано, что особенностью пассивной модуляции добротности неодимовых лазеров с использованием Сг4*-содержащих кристаллов является реализация режима

преимущественно "медленного" включения добротности резонатора, когда скорость просветления затвора сравнима со скоростью истощения инверсии в активном элементе.

5. Экспериментально и теоретически исследован режим пассивной модуляции добротности лазера на основе нелинейного лазерного кристалла Nd:YAb(B03) при непрерывной диодной накачке. Реализован компактный источит наносекундных импульсов в ближнем ИК-, видимом, а также УФ-диапазонах спектра.

6. Экспериментально показано, что тепловыделение в кристаллических затворах Cr4+: YSGG it активных элементах неодимовых лазеров с импульсной ламповой накачкой сравнимы по величине.

Публикации по результатам диссертации.

1. Климов И.В., Никольский М.Ю., Цветков В.Б., Щербаков И.А. "Пассивная модуляция добротности импульсных Nd-лазеров с. помощью затворов на основе кристалла ИСГГ:Сг4+, обладающего фототропными свойствами. -Кв.электроника, 19, N3, 1992г, с.653-656.

2. Klimov I.V., Tsvetkov V.B., Shchcrbakov I.A. "Cr^iYSGG passive Q-switch for multispikes Nd-lasers", OSA Proceedings on Advanced SolidState Lasers, v.15, 1993, pp.325-328.

3. Leininger L., Phillips G., Klimov I.V., Tsvetkov V.B., Shcherbakov I.A., "Passive Q-switching of Nd-Lasers with Cr^YSGG crystals", Harausgeber:Festkorper-Laser-Institut Berlin, Interner Bevicht 1993, N13.

4. Klimov I.V., Tsvetkov V.B., Shcherbakov I.A. "Cr^YSGG-crystal as a Q-switch for single-frequency Nd laser", Technical Digest of CLEO-Europe'94, , Amsterdam, The Netherlands, 1994, paper CWC4.

5.1.V.Klimov, V.A.Mikhailov, I.A.Shcherbakov, K.J.Boiler, J.Bartschke, R.Knappe, R.Wallenstein "Nd:GV04-laser pumped by 1W laser diode", Technical Digest of CLEO/EUROPE'94 Conference, Amsterdam, 1994, paper CTuA7.

6. J.Bartschke, I.V. Klimov, K.-J.Boller, R.Wallenstein, I.A.Shcherbakov "Untersuchung von lasern aus Nd:GdV04 an der Universitaet Kaiserslautern in kooperation mit der GPI Moskau", Deutsch-Russischer laser-workshop am 19./20. Mai 1994 in Dresden, VDI Tecchnologiezentrum: Physikalische Technologien, BMFT-Project 13N6082, p. 14.

7. J.Bartschke, I.V. Klimov, K.-J.Boller, R.Wallenstein "Passive Q-switching of diode end-pumped Nd3+:GdVC>4 and Nd3+:YAB lasers by using Cr'+rYAG and Cr^YSGG as saturable absorbers", Technical Digest of CLEO'95, Mariland, USA, 1995, CTuI65.

8.1.V.KIimov, V.B.Tsvetkov, I.A.Shcherbakov, J.Bartschke, K.-J.Boller, R.Wallenstein "Cw Diode pumped Nd:GdVC>4 laser passively Q-switched with Cr4+:YAG as saturable absorber", OSA Trends in Optics and Photonics Series Volume on Advanced Solid-State Lasers'96, 1996, p.438-440.

9. G.A.Bufetova, I.V.Klimov, D.A.Nikolaev, I.A.Shcherbakov, V.B.Tsvetkov "Bleaching of the Cr4"1" doped Q-switches in resonator during the laser operation", Technical Digest of CLEO/EUROPE'96 Conference, 1996, paper CTuA5.

10. J.Bartschke, I.V. Klimov, K-J.Boller, R.Wallenstein "Passiv guetegeschaltete, Diodenlaser-gepumpte, selbstfrequenz-verdoppelnde Nd:YAB-laser mit externer konversion zu 355nm und 266nm", Verhandlungen der DPG, Mainz, 1997, Q25.2.

11 .Bartschke, I. V. Klimov, K.-J. Boller and R. Wallenstein ."Compact self-frequency doubling passively Q-switched Nd:YAB laser as UV-radiation source", Technical Digest of CLEO'97, USA, 1997, paper CFB4.