Управление спектральными и временными параметрами лазеров на кристаллах ванадатов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Сироткип Анатолий Андреевич

Управление спектральными и временными параметрами лазеров на кристаллах ванадатов

01.04.21 - лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 2 ПАП 2014

Москва - 2014

005548445

Работа выполнена в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Официальные оппоненты:

Тункин Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник

Магдич Леонид Николаевич, доктор технических наук, профессор,

ОАО «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»,

начальник лаборатории

Чебуркин Николай Всеволодович, доктор физико-математических наук, профессор, ОАО «Национальный центр Лазерных систем и комплексов «Астрофизика», начальник центра специальных проектов и подготовки научных кадров

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Защита диссертации состоится 09 июня 2014 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991 ГСП-1, г. Москва, ул. Вавилова, 38, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат диссертации разослан

¿.3

9 О О-Прел«

л . . 1 " АШкАола ОС

февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

/Т.Б. Воляк/

Тел.: (499) 503-81-47

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Разработка высокоэффективных твердотельных лазеров нового поколения, расширение их функциональных возможностей и методов управления режимами их генерации позволяет обеспечить прогресс в развитии оптической связи, навигационных систем, лазерной медицины, биотехнологий, мониторинга окружающей среды и в других направлениях. Развитие современной лазерной физики для решения многих научных и практических задач требует разработки и создания полностью твердотельных, компактных, высокоэффективных источников лазерного излучения, работающих в новых спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных (нано-, пико- и фемтосекундных) режимах. Поэтому разработка новых подходов к созданию источников когерентного лазерного излучения, поиск новых активных лазерных сред, получение генерации на новых длинах волн с использованием уже известных лазерных материалов, создание новых матриц, активированных традиционными ионами редкоземельных элементов, является актуальной задачей современной лазерной физики, как с научной, так и с практической точки зрения.

Основной прогресс в создании эффективных полностью твердотельных лазерных систем в новых спектральных областях связан с использованием диодной накачки.

Кристаллы ванадатов Ш3+:УУ04, Ш^-.ОсГУОл, Ш":ЬиУ04, Ш3+:ЬаУ04, и смешенных ванадатов типа Кта3+:Сс]ЬхУ1[У04 и Кс33':8С|.хУхУ04 - лучшие материалы для создания лазеров с диодной накачкой. Они обладают большими сечениями поглощения и вынужденного излучения, широкими линиями поглощения излучения накачки. Кристаллы ванадатов являются хорошими ВКР-преобразователями, обладают высокими значениями двулучепреломления и нелинейными (керров-скими) коэффициентами. Сочетание спектральных, нелинейных и механических свойств этих кристаллов приводит к высокой эффективности лазеров, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Анизотропия кристаллической решётки ванадатов позволяет получать поляризованное излучение, а высокая тепло-

проводность способствует лучшему охлаждению активной среды. Преобразование длины волны излучения путем параметрической генерации, ВКР-преобразований, генерации гармоник, а также суммарных и разностных частот позволяет использовать уже имеющиеся источники лазерного излучения для расширения спектрального диапазона.

Большинство известных работ посвящено использованию кристаллов ва-надатов, вырезанных вдоль оси а для я-поляризации (Е || с) лазерного излучения, поскольку в этом случае наблюдается наибольшее усиление. На основе таких кристаллов ванадатов реализовано большое количество лазерных систем с рекордными энергетическими параметрами.

С другой стороны, большое сечение вынужденного излучения для л-поляризации является серьёзным недостатком для работы в режиме пассивной модуляции добротности с широко используемыми насыщающимися поглотителями на кристаллах Сг4+:УЛО и У3+:УАа Высокое усиление активной среды в этом случае ограничивает накопление инверсии, что приводит к малой энергии генерируемого импульса и низкой пиковой мощности.

Широкое использование анизотропных свойств ванадатов требует уточнения их спектральных свойств. Приводимые в литературе спектры люминесценции для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, на переходе /2-4/11/2 для о-поляризации значительно отличаются друг от друга. Характерной особенностью многих из них является положение абсолютных максимумов в спектрах люминесценции на переходе 4^3/г-4/11/2 для с-поляризации. Различие свойств кристаллов ванадатов вдоль разных кристаллографических осей позволяет при необходимости выбирать направления, вдоль которых изменяются сечения усиления. Однако детальных исследований поляризационно-угловых зависимостей усиления на различных участках спектра проведено не было.

Экспериментальные исследования поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Ш3+:УУ04, Ш^ОсЗУСХ,, Ка3+:С;а,.хУхУ04 и Кс13+:Зс,.хУхУ04 на переходах "/^д-4/, ,/2 и *Рт-19а в зависимости от направления

регистрации по отношению к кристаллографическим осям и использование этих зависимостей для реализации на их основе новых функциональных возможностей является актуальной задачей как с точки зрения расширения фундаментальных представлений о динамике излучения в кристаллической решетке кристаллов ва-надатов, так и с точки зрения создания новых источников лазерного излучения с расширенными спектральными и временными возможностями.

Целью диссертационной работы являлось исследование поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров в кристаллах ванадатов на переходах 4^з/2-4/| т и 4/гз/2—4Л)/2 ионов неодима, разработка методики создания высокоэффективных активных сред на их основе, исследование процессов управления временными параметрами и разработка новых лазерных систем для получения лазерного излучения в различных спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных режимах.

В рамках этого основного направления решаются следующие основные задачи:

1. Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Ш3+:ГУ04, Ш3+:0сГУ04 и Ш3+:ЬиУ04 на переходах 1Ш и

419/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.

2. Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов смешанных ванадатов Нс]3+:0(1ЬкУх\Ю4 и на переходах ^д-^/цд и 4/*з/2-4/9/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.

3. Создание методик формирования высокоэффективных активных сред кристаллов на основе поляризационно-угловых спектров люминесценции кристаллов ванадатов и смешанных ванадатов. Исследование влияние расщепления уровней ионов неодима на форму спектров люминесценции смешанных ванадатов. Управление коэффициентами усиления и длинами волны генерации для различных направлений среза кристаллов.

4. Разработка методик получения двухчастотной генерации лазеров на кристаллах ванадатов Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd,.xYxV04 и Nd3+:Sc,.xYxV04 с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения.

5. Получение терагерцового излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации в нелинейных кристаллах GaSe.

6. Исследование генерационных и спектральных параметров лазеров на кристаллах ванадатов Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04 и Nd3+:LuV04 и смешанных ванадатов Nd3':Gd,.xYxV04 и Nd3+:Sci.xYxV04 на переходах 4F3I2-IW2 и 4Fy2-4I9l2 ионов неодима с управлением длиной волны генерации.

7. Исследование поляризационных зависимостей генерации Nd3+:YV04< Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd].*YxV04 и Nd3 Sc Ьх Yx V04-лаз еро в в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

8. Создание лазеров высокой пиковой мощности на базе композитных кристаллов Nd:YV04-YV04 с пассивной модуляцией добротности для о-поляризации (Е ± с) излучения и для кристаллов под различными углами среза в режиме пассивной модуляции с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.

9. Реализация высокоэффективных лазеров с внутрирезонаторным ВКР-самопреобразованием на кристаллах ванадатов в режиме пассивной модуляции с затворами Cr4+:YAG и V5+:YAG.

10. Исследование нелинейных параметров одностенных углеродных нанотрубок, стекол с квантовыми точками PbS и керровской нелинейности для пикосекундной генерации Nd3+:YV04) Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd,.xYxV04 и Nd3+:Sc,_xYxV04^a3epoB в режиме пассивной и гибридной синхронизации мод.

11. Оптимизация спектров люминесценции для работы фемтосекундного лазера на основе композитного кристалла иттриевого ванадата Nd:YV04-YV04 с полупроводниковым зеркалом SESAM.

12. Создание многоволновой лазерной установки бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YV04-YV04 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для а-

поляризации и для кристаллов под различными углами среза в = 25°, р = 0 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Сг4':УАО.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Впервые проведены экспериментальные исследования поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов Ш3+:УУ04, Ыс13+:0ёУ04 и смешанных ванадатов Ш!+:Ст<1,.хУхУ04 и Ш3+:8с1_хУхУ04 при комнатной и криогенной (азотной) температурах. Показано, что спектры люминесценции ионов Ш3+ на переходе "Рщ-^ип в кристаллах ванадатов имеют ярко выраженные угловые зависимости от направления регистрации и поляризации но отношению к кристаллографическим осям.

Установлена поляризационная зависимость излучения штарковских уровней в спектрах люминесценции иоиов Ш3+ на переходе ^д-4/11/2 в кристаллах ванадатов. Показано, что штарковские переходы излучаются в ортогональных поляризациях.

Впервые показано, что использование поляризационно-угловых зависимостей спектров люминесценции позволяет управлять формой спектров люминесценции, коэффициентами усиления лазеров на основе кристаллов ванадатов, длиной волны генерации и поляризацией излучения.

Предложены способы оптимизации формы широких равномерных спектров люминесценции для пико- и фемтосекундных лазеров, а также и для перестройки длины волны излучения.

Экспериментально продемонстрировано, что расщепление верхнего 4РУ1 и нижних 4/ц/2 и 4/9/г уровней иона неодима в смешанных ванадатах (Ш3+:Ос11.хУх или Ш'^Зс^У*) зависит от соотношений концентраций У, Сс1 и Эс. Изменение соотношения (Ос!ихУх или ЗсьхУ*) с использованием угловых зависимостей обеспечивает контролируемую трансформацию контура усиления. При этом в смешанных ванадатах меняются форма спектра и длины волн люминесценции как для л-, так и для ст-поляризации.

Впервые предложено и реализовано использование активной среды на основе комбинации двух кристаллов (Ш3+:УУ04 и Ш^Ос^.^УО,,) и (Ыа3+:С(11.ХУХУ04 и Ж3':5сЬхУхУ04), откорректированных по угловым зависимостям, с целью получения максимально широких линий с формой близкой к прямоугольной для фемтосекундных приложений.

Впервые исследованы генерационные и спектральные параметры лазеров на кристаллах смешанных ванадатов Ш3":0с11_хУхУ04 и Ш3+:8с,.хУхУ04 на переходах и 4^3д-4/9/2 ионов неодима, работающие по четырёх- и квазитрёхуровневой схемам с управлением формы спектра люминесценции и длиной волны генерации.

Исследованы способы получения двухчастотной генерации для кристаллов иттриевого Ж:УУ04, гадолиниевого Ш:0<1У04 и смешанных Ш:Ск10.7УозУ04 и Ыс1:8с!.хУхУ04 ванадатов с использованием методик: а) внесение дополнительных спектрально-селективных потерь; б) управление усилением активной среды и в) поляризационное разделение излучения.

Получены двухчастотные режимы генерации с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном и импульсных режимах, с модуляцией добротности и синхронизацией мод.

Предложены и реализованы схемы усилителей двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией на основе кристаллов ванадатов.

Получена генерация терагерцового излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах ваве для нано- и пикосекундного режимов лазерной генерации.

Исследованы поляризационные зависимости генерации Ш:УУ04, N(1:6(1!. хУхУ04 и Ш:8с].хУхУ04-лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами Сг4 -'УАО и У3+:УАО. Показано, что наилучшие характеристики достигнуты для лазера с использованием ст-поляризации.

Впервые предложены методы управления усилением активной среды и продемонстрирована эффективная работа лазера на основе кристаллов ванадатов (Ш3

YV04, Nd3+:GdV04), вырезанных под углами 0 = 25°, <р = 0, с пассивной модуляцией добротности с затворами Сг4+: YAG и V3+:YAG. Показано, что данные лазеры работают на длинах волн, которые совпадают с длиной волны в л-поляризации, где усиление в среде максимально. Это позволяет создавать эффективные системы генератор-усилитель для дальнейшего нелинейного преобразования частоты.

Предложены способы получения эффективного ВКР-самопреобразования на кристаллах иттриевого Nd:YV04, гадолиниевого Nd:GdV04 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для о-поляризации и для кристаллов иод различными углами среза в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.

Методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением определены характерные времена релаксации и величина кубической нелинейности в полимерных пленках, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

Реализованы режимы пассивной и гибридной синхронизации мод с помощью полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками, стекол с квантовыми точками PbS и керровской нелинейности для пикосекундной генерации Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd1.xYxV04 и Nd3+:Sc,.,YrV04-na3cpoB.

На основе поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров оптимизирована форма спектра люминесценции кристаллов иттриевого ванадата для получения лазерной генерации с фемтосекундной длительностью импульсов.

В качестве практического приложения результатов исследований создана многоволновая (работающая в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн) лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов иттриевого Nd:YV04-YV04 ванадата в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.

Научная н практическая значимость

Установленные поляризационно-угловые зависимости спектральных параметров в кристаллах ванадатов на переходах 4F3lz-4Iun и *FVT-*hri ионов неодима

открывают новые возможности в разработке методов создания высокоэффективных активных сред и новых лазерных систем на их основе для получения лазерного излучения с управляемыми параметрами и расширения спектра их практического применения. Настоящие исследования позволяют использовать уже существующие разработанные кристаллы ванадатов для получения принципиально новых возможностей лазерных систем на их основе. Результаты данных исследований можно расширить и на другие кристаллические среды, поскольку аналогичные зависимости наблюдаются и в других одноосных и двуосных кристаллах, например Ш3+: УЬР или аллюминат иттрия Ш3+: УА1203.

Проведенные исследования процессов управления временными параметрами позволяют на основе кристаллов Ш3+:УУ04, Ш3+:Сс1У04, Ш3+:Сс11_хУхУ04 и Ш3 :8с1.хУхУ04 реализовать схемы высокоэффективных лазерных систем, работающие в непрерывном, фемто-, пико- и наносекундном импульсном режимах, которые могут быть использованы для преобразования в ультрафиолетовый, видимый, ИК и терагерцовый спектральный диапазон длин волн.

Созданная многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний (на основе композитных кристаллов Кс13+:УУ04-УУ04-ванадатов в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Сг*+:УАО) прошла клинические испытания и в настоящее время широко используется в ЦНИИ Туберкулеза, НИИ Пульмонологии РАМН в Москве, Санкт-Петербургском НИИ фтизиопульмонологий, в 23-й Городской больнице г. Москвы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается высоким уровнем экспериментальной техники, сопоставлением данных, полученных различными методами, применением современных теоретических представлений и методов обработки при анализе данных, сравнением с имеющимися литературными данными.

и

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Спектральные параметры кристаллов Ш3+:УЛЮ4, Ш3+:0с1У04 и Ш3+:ЬиУ04-ванадатов и смешанных Кс13+:вс11.1УхУ04 и

ванадатов на переходах ^з/2-4/1 т и 4^з/2-4Д/2 иоиов неодима имеют ярко выраженные поляризационно-угловые зависимости по отношению к кристаллографическим осям.

2. Управление длиной волны генерации в лазерах на кристаллах ванадатов на переходах АРъпгА1иГ1 и ионов неодима достигается ориентацией кристаллов и варьированием состава смешанных ванадатов (Ос^У,. и 8с1_хУх).

3. Двухчастотная генерация лазеров на кристаллах ванадатов Ш3+:УУ04, Ш3+:0с1У04, Ш3+:0с11_хУхУ04 и Ш3+:8с1_хУхУ04 с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения создается методами внесения дополнительных спектрально-селективных потерь, управлением усиления активной среды и методом поляризационного разделения излучения.

4. Терагерцовое излучение реализуется при использовании разностной частоты двухчастотного лазера на кристаллах ванадатов в нелинейных кристаллах йаЗе для нано- и пикосекундных режимов лазерной генерации.

5. Нелинейные параметры одностенных углеродных нанотрубок, стекол с квантовыми точками РЬ8 и керровская нелинейность позволяют реализовать режимы пассивной и гибридной синхронизации мод для пикосекундной генерации Ш3+:УУ04, Ш3+:СаУ04 и Ыс13+:Ос11.!СУхУ04 лазеров.

6. Импульсы фемтосекундной длительности достигаются при оптимизации угла среза кристаллов иттриевого №3+:УУ04-ванадата.

7. Высокая пиковая мощность излучения реализуется методами управлением усиления при использовании поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции добротности с затворами на кристаллах Сг4+:УАО и У3+:УАО.

8. Эффективное ВКР-самопреобразование на кристаллах ванадатов достигается выбором ориентации кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Сг4+:УАО.

9. Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний разработана на основе композитных кристаллов Nd:YV04-YV04 ванадатов под различными углами среза в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG и последующим преобразованием излучения в видимый и УФ диапазоны длин волн.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН (Москва, Россия), физического факультета Бернского университета (Берн, Швейцария), Института кристаллографии РАН (Москва, Россия).

Материалы диссертации обсуждались на международных конференциях: Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'98); Intl. Conf. on Lasers and Electro-Optics Europe, 2003. CLEO/Europe; Intl. Conf. on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2005 (Санкт Петербург); Intl. Conf. «Laser Optics 2004» (L0-04) 2004; Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies LAT 2005, St. Petersburg, Russia; Intl. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2007) collocated with Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), Minsk, Belarus; «Вторая Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям», 22-25 апреля, г. Саров (2008); The 17 International Laser Physics Workshop, LPHYS'08, June 2008, Trond-heim, Norway; Intl. Conf. on «Laser Optics 2008» (L0-08) 2008, St. Petersburg, Russia; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'08), 2008, Siofok, Hungary; International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria; International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", 2008, Holiday Centre Huhmari, Polvijarvi, Finland; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT09); XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria; Intl. Conf. on Advanced Laser Technology, ALT'10, 2010, Egmond an See, the Netherlands; The Second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics" 2010, Koli, Finland, Intl. Conf. «Laser Optics 2010» (LO-IO) 2010, St. Peterburg, Russia; Intl. Conf. "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-10), Intl. Conf. on

Advanced Laser Technologies - ALT'11, Golden Sands, Bulgaria, 2011; Intl. Conf. «Laser Optics 2012» (LO-12) 2012, St. Peterburg, Russia; Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'12), Thun, Switzerland, 2012; Intl. Conf. "Modern Laser Applications" INDLAS-2013, Bran, Romania; Intl. Conf. on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2013 (Москва); Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT' 13), Budva, Montenegro.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 работы, список которых приведен ниже, из которых 23 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК [1-23]; получено 4 патента [24-27]; 27 работ опубликованы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций [28-54].

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, правильно отражают личный вклад автора. Все основные результаты работы получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Часть экспериментальных исследований по нелинейно-оптическим свойствам полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки, выполнена совместно с. н.с. Образцовым П.А. Часть работ по изучение структурного несовершенства кристаллов рентгеновскими методами была выполнена совместно с н.с. Орловой Г.Ю. Основные работы выполнены в соавторстве с сотрудниками Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН, а также в творческом содружестве с зарубежными коллегами, которые принимали участие и оказывали помощь в проведении отдельных исследовашш. Во всех случаях использования результатов других исследований в диссертации приведены ссылки на источники информации.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории физики роста кристаллов Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики им. A.M. Прохорова PAIL Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ грант 05-02-17330-а, РФФИ грант 06-02-08057-офи, ОФИ грант 07-02-12109, а также при ча-

стичной финансовой поддержке Минобрнауки РФ (Госконтракт 02.445.11.7154 от 05 сентября 2005 и Госконтракт 02.445.11.7395 от 09 июня 2006 г.), договор НИР № 2001/И0ф (186/06) между ИОФАН и ИКАН, Программа фундаментальных исследований РАН «Лазерные системы, основанные на новых активных материалах и оптика структурированных материалов», Программа фундаментальных исследований Президиума РАН «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы», грант CRDF № 76448 with Brookhaven National Laboratory «Development of a laser ultrasonic device for residual stress measurement in vvelded structure», грант 7 IP 62635 - Совместный проект Института обшей физики РАН с Бернским университетом (Швейцария): «Crystals and optical fiber for novel diode-pumped femtosecond laser systems and applications in nano-processing of advanced materials», «Разработка лазерного медицинского аппарата для лечения гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей и деструктивных форм туберкулеза легких» (государственный контракт №9597р/1627 от 12.08.2011).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 282 страницы, включая 126 рисунков, 10 таблиц и библиографию из 308 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Кратко изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации работы, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

Первая глава является обзорной. В ней дана краткая историческая справка о развитии кристаллов ванадатов и лазерных систем на их основе. Отмечены достоинства твердотельных сред на кристаллах ванадатов, в частности высокие значения сечений люминесценции, широкие полосы поглощения, хорошие теплофи-зические свойства. Приведены спектры поглощения и люминесценции,

нелинейные параметры для различных кристаллов ванадатов. В главе обосновывается основная цель настоящей работы - создание новых высокоэффективных активных сред на основе кристаллов Ыс13+:УУ04 [1], Ш3+:Сс1У04 [2], Ш3+:0с1].хУхУ04 [3] и Ыс13+:8с1_хУкУ04 [4] ванадатов с помощью предложенных методов управления спектральными и временными параметрами для создания лазерных систем на их основе.

Вторая глава посвящена исследованию поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров в кристаллах ванадатов на переходах 4Е3/2-4/иа и 4-Рз/2-4/9/2 ионов неодима, разработке методик создания высокоэффективных активных сред на их основе и реализации новых лазерных систем для получения лазерного излучения в различных спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных режимах.

Проведены экспериментальные исследования спектров люминесценции кристаллов ванадатов Ш3+:УУ04, Ж3+:0с1У04, Ш'^Ш^УС^ и Ш3+:8с,.хУхУ04 при переходе кристаллов от я-поляризации (Е |] с, £2 = 0) к о-поляризации (Е 1 с, £2 = 90°) или от угла 0 между осью наблюдения и осью с (0 = уаг, д> = 0) для комнатной и азотной температур (£2 — угол между вектором электрического поля Е и осью кристалла с).

Форма спектров люминесценции на переходе ЛРуТ-411 ,/2 для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси я, для а-поляризации совпадает с формой спектров для кристаллов, вырезанных вдоль оси с (Е X с). При переходе от я- к о-поляризации положения абсолютных максимумов в спектрах люминесценции смещаются в длинноволновую область (рис. 1а,б). Поэтому и длины волн генерации в лазерах на этих кристаллах для с-поляризации отличаются от длин волн излучения лазеров, работающих в я-поляризации.

Проследить эволюцию изменения спектров люминесценции при переходе от я-поляризации (Е || с) к а-поляризации (Е 1 с) можно на рис. 1аД где приведены спектры люминесценции кристаллов Ыс13+:УУ04 и Ш3+:СсГУ04 для разных углов поворота плоскости поляризации £2.

¿Хгиамз ВОЛНЫ, мм

М:С1Г/04

» г

7С ст

V

Ч. ^

А

20 40 60 ВО 100

угол поворста, (рад.

« ео м «0 Угол поворота. гряд.

Рис. 1. Зависимости интенсивностей излучения штарковских переходов от угла поворота плоскости поляризации О.

В спектральном диапазоне длин волн (1060-1070 нм) для иона в кристаллах ванадатов расположены четыре перекрывающихся штарковских перехода (К.-У]. Н-г- У-, и Я\-¥2, Яг-У2)- Поэтому для обработки экспериментальных данных

спектры представлялись в виде суммы четырёх пиков. Спектральное положение пиков переходов фиксировалось, и рассчитывались их амплитуды для каждого угла поворота £1

В результате были получены зависимости интенсивностей излучения штар-ковских переходов (Йр-Г], и в спектральном диапазоне (1060—

1070 им) от угла поворота кристаллов (рис. I в-е).

На рис. 1 в,г видно, что штарковские переходы излучается в ортогональных поляризациях.

Таким образом, вырезая кристаллы под тем или иным углом, мы можем в широком диапазоне управлять коэффициентом усиления лазеров, изменять форму спектров люминесценции, поляризацию и длины волн излучения.

Реализованы две схемы создания активной среды с равномерными широкими полосами люминесценции с использованием поляризациопно-угловых зависимостей в стандартных кристаллах ванадатов: в составном активном элементе, состоящем из кристаллов иттриевого Ис!3' :УУ04, гадолинеевого Ш3 +:0с1У04 и сме-шанньгх ванадатах (ЪМ +:Ос11..хУх или Нс13":8сЬхУх) ванадатов; или за счет изменения соотношений (Ос1].хУх или 8с|.хУх) в смешанных ванадатах (Ш3+:Сс1|_ ХУХ У04 или Ш3+:8с,.хУх У04).

Спектры люминесценции кристаллов а также

Ыс13':Оёо7УозУ04, активированные ионами неодима, на переходах 4^з/2-4/П/2 и 4/*з/2—показывают, что пик люминесценции ионов неодима в смешанном ва-надате лежит между значениями пиков для

и зависит от

соотношений концентраций Ос11_х иУ,в кристалле. Изменение этого соотношения приводит к перестройке длины волны лазера в пределах от 1063 до 1064 нм на переходе 4/7з/2-4/п/2 (от 912 нм до 914 нм на 4/зд-4/9д), а линия люминесценции кристалла уширяется более чем в 1.5 раза по сравнению с ЭДс13+:0с1У04 и

N<1 :УУ04.

Экспериментальное значение положения максимумов линии люминесценции смешанного ванадата определяется зависимостью, близкой к линейной относительно х. Таким образом, можно заранее прогнозировать и выращивать кристаллы смешанных ванадатов Ш'':С;с1ьхУхУ04 с требуемым положением пика линии лю-

минесценции и, соответственно, заданной длиной волны генерации лазера. Для кристалла Ш3' :Оё0.7У0.зУ04 длина волны пика люминесценции на переходе 4Р3/2-4/, 1/2составляет 1063.4 нм (на переходе 4/-за-%д 913 нм).

Исследовались возможности кристаллов ванадатов для получения генерации по квазитрехуровневой схеме на переходах ионов неодима ЛРУТ-Л1Ш [5,6]. Впервые получена лазерная генерация на кристалле Ыс1:Сс1о 7У0 3У04 на переходе "'Руг-1т с длиной волны излучения 913 нм. Исследованы также генерационные характеристики нового класса смешанных кристаллов Ыс13+:Ух8с1.хУ04.

Изучение структурного несовершенства кристаллов проводилось на рентгеновском дифрактомегре общего назначения «ДРОН-3». Для исследования использовалось монохроматическое СиКагизлучение с длиной волны 1,54 А. Если в кристалле присутствуют блоки, разориентированные друг относительно друга, то на кривой качания каждый блок последовательно дает кривую, сдвинутую на угол разориентации блоков друг относительно друга. По уширению кривой качания можно судить о степени мозаичности монокристалла, т.е. о степени разупорядо-ченности кристаллической решетки исследуемого материала.

Отмечена корреляция между структурным несовершенством кристаллов и формой спектров люминесценции.

В третьей главе исследованы методы получения двухчастотной генерации для кристаллов иттриевого Ш3т:УУ04, гадолиниевого Ис13+:0с1У04 и смешанных Ш3+:Сс1о,7УсиУ04 и Ш3+:8с,.хУхУ04-ванадатов.

Длины волн в лазерах на кристаллах ванадатов для л- и о-поляризации различаются, что позволяет создавать двухчастотные лазеры с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения.

Исследованы три метода реализации режима двухчастотной генерации:

1. внесение в резонатор дополнительных спектрально-селективных потерь;

2. управление усилением активной среды;

3. использование двойного резонатора для поляризационного разделения излучения.

Принцип работы двухчастотного лазера основан на равенстве добротности резонатора на двух участках спектра в кристаллах ванадатов.

В лазерах на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси с, или для ст-поляризованного излучения можно получать двухчастотную генерацию, внося в резонатор селектирующие элементы, которые выравнивают добротность резонатора О(Х) лазера для разных участков спектра люминесценции активной среды за счет дополнительных потерь. В качестве таких элементов применялись фильтр Лио, эталон Фабри-Перо [7] и призма Дове.

Использование эталонов Фабри-Перо в виде плоскопараллельных пластинок из кристалла YAG без покрытий с толщинами от 83 до 290 мкм позволило получить двухчастотное излучение на длинах волн с разностью АХ = (Л]-Я2) от 1,9 до 3,9 нм (рис. 2). В данной схеме лазера поляризации излучения на двух длинах волн были параллельны.

- I 1 А К

АИ WJ

' *i \ i ?! U

«11.|ЛГ/ 'vJuW'V'

' w ^

10650 13675 '0703 длине ео.ТНЫ вtzyemi. А

10625 10650 10675 10700 длина волны излучения, А

Рис. 2. Перестройка двухчастотного излучения с интерферометрами Фабри-Перо различной толщины и иод разными углами

Метод получения двухчастотной генерации с управлением усилением активной среды подобен предыдущему, но равенство добротности резонатора на двух участках спектра обеспечивается изменением усиления в активной среде за счет поляризационно-угловых зависимостей люминесценции (см. главу 2). Предложены два способа управления усилением:

1. для кристаллов ванадатов, вырезанных под углами в = 20°, <р = 0 (рис. 3),

2. для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, с поляризатором внутри резонатора (рис. 4).

При повороте активного элемента из кристаллов ванадатов, вырезанных под углами 0 = 20°, <р = 0, в плоскости рисунка (рис. 3) усиление на различных участках спектра меняется. Лазер генерирует излучение одновременно на двух длинах волн в случае, если добротность резонатора 0(Я) на двух переходах К ¡-У] и будет одинакова. В этом случае реализуется двухчастотный режим генерации с взаимно ортогональной поляризацией излучения.

рвых Поляризатор

Спектрометр

1ЛЭ

Рис. 3. Схема двухчастотного лазера с управлением усиления активной среды на основе кристаллов ванадатов, вырезанных под углами в = 20°, <р = 0.

Рвых

Рис. 4. Схема двухчастотного лазера с управлением усиления активной среды на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а с поляризатором.

Аналогичная зависимость усиления на различных участках спектра наблюдается и при повороте вокруг оси резонатора активного элемента, вырезанного вдоль оси а, при переходе от я- к ст-поляризации (рис. 4). В данной схеме необходимо фиксировать поляризацию с помощью устройств подобных призме Глана. Реализуется двухчастотный режим генерации с параллельной поляризацией излучения.

Рассмотрены также методы получения двухчастотной генерации при поляризационном разделении излучения внутри резонатора (двойной резонатор). Ис-

Поляризатор

следуются две схемы поляризационного разделения: за счет собственного двулуче-преломления в кристалле ванадатов и использования стандартных поляризаторов.

Размещение эталона Фабри-Перо (ФП) в одном из плеч резонатора позволило изменять величину ДЯ = (Ар-Яг) генерируемого излучения.

В разд. 3.2 представлены методы получения двухчастотного режима генерации в непрерывном и импульсных режимах. Продемонстрирована устойчивая двухчастотная генерация на кристаллах ванадатов (рис. 5):

• в непрерывном режиме (максимальная средняя мощность 1.5 Вт);

• в режиме пассивной (Сг',: :УАО) и активной акустооптической (АО) модуляции добротности (максимальная средняя мощность 0.56 и 1.2 Вт);

• в режиме активной АО синхронизации мод совместно с активной АО модуляцией добротности (максимальная средняя мощность 355 мВт).

В разд. 3.3 реализованы схемы усилителей двухчастотных импульсов излучения на основе кристаллов ванадатов. Обсуждаются одно- и многопроходовые усилители с продольной и поперечной накачкой.

В разд. 3.4 получена генерация терагерцового излучения (0.6 и 0.9 ТГц) с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах Оаве [8] в нано- и пикосекундных режимах лазерной генерации.

0,0 Н----,--,-,-,-,-,---1-,-,-

□ 2 4 6 8 10 12

Поглощенная мощность, (Вт)

Рис. 5. Энергетические параметры двухчастотных лазеров.

В четвёртой главе рассмотрены перспективные пути создания пикосекунд-ных и фемтосекундных лазеров с применением методов управления формой спектров люминесценции кристаллов ванадатов и использования затворов на основе наноструктурированных материалов (полимерных пленок, содержащих одностен-ные углеродные нанотрубки [9.10], стекол с квантовыми точками PbS [11,12], с керровской нелинейностью [13] и полупроводниковым зеркалом SESAM [14]).

В разд. 4.1 методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pumpprobe») [15] с фемтосекундным временным разрешением исследовались нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки, изготовленных и охарактеризованных с помощью линейной спектроскопии поглощения. Исследования позволили определить характерные времена релаксации и величину кубической нелинейности в полимерных пленках, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

В разд. 4.2 осуществлен режим синхронизации мод с помощью пассивного пленочного затвора на основе одностенных углеродных нанотрубок на длинах волн 1.064 и 1,34 мкм в твердотельных Nd:GdV04 и Nd:Yo,9Gdo,iV04^a3cpax с ламповой накачкой. Установлена оптимальная концентрация нанотрубок в полимерных пленках, позволяющая осуществлять стабильную работу лазера в режиме синхронизации мод. Длительность импульсов составила около 50 пс с энергией выходного излучения около 70 мкДж при частоте до 1 кГц.

В разд. 4.3 представлены исследования пикосекундных лазеров с диодной накачкой на основе кристаллов смешанного ванадата Nd:Gd0 7У0 3V04, вырезанных вдоль оси а для я-поляризации, с использованием керровской нелинейности для синхронизации мод. В качестве керровской среды использовались кристаллы гадолиниевого ванадата GdV04 и шотговское стекло SF57 (и2 = 1.68х10~15 и 2.6х10-15 см2/Вт соответственно) [16].

Реализованы режимы работы: активная синхронизации мод с акустооптиче-ским модулятором, пассивная синхронизации мод на керровской нелинейности и гибридная синхронизации мод при их одновременном использовании. Получены

импульсы излучения с длительностями от 9.4 псек для активной синхронизации мод с акустооптическим модулятором и 1.7 псек в режиме гибридной синхронизации со средними мощностями 640 и 340 мВт соответственно.

В разд. 4.4 исследовались режим пассивной модуляции добротности и режим синхронизации мод с пассивными затворами на основе стекол, легированных нанокристаллами PbS, на длинах волн 1,064 и 1,34 нм для твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе кристаллов иттриевого Nd3+:YV04, гадолиниевого Nd3+:GdV04 и смешанных Nd3+:Gdo.7Y0.3V04 ванадатов, вырезанных вдоль оси с.

Исследовались три режима синхронизации мод для лазеров на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси с, с использованием: стекол, легированных нанокристаллами PbS, в качестве насыщающегося поглотителя; керровской нелинейности (керровской линзы) в стекле SF57 и комбинированного режима синхронизации мод (насыщающийся поглотитель на нанокрнсталлах PbS и керровская линза).

Корреляционные измерения позволили оценить значение длительности импульса излучения как -1.4 пс при ширине спектра излучения 1,1 нм. Это наиболее короткая длительность импульсов, полученная для кристаллов ванадатов, активированных ионами неодима. При мощности накачки 6 Вт полученная выходная мощность достигала 255 мВт при частоте повторения импульсов около 100 МГц.

В разд. 4.5 проведены экспериментальные исследования по оптимизации формы спектров люминесценции для кристаллов ванадатов и реализации работы фемтосекундного YV04-Nd3+:УУС^-лазсра с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM.

Для кристалла Nd3+:YV04, вырезанного под углами 0 = 25°, <р = 0, наблюдается спектр люминесценции (рис. 6) с близкой к максимальной шириной, который кроме того более симметричен. Такая форма спектра позволяет реализовать работу лазера фемтосекундной длительности.

Длина волны (нм)

Рис. 6. Нормированные спектры люминесценции кристалла иттриевого Nd3:YV04 ваиадата для л- и а-поляризации и вырезанного под углами в = 25°, <р = О

Длительность импульса составляла около 780 фс при ширине спектра лазерного излучения 1,6 нм. В диапазоне мощности накачки от 4 до 9 Вт реализовыва-лись стабильные импульсы с выходной мощностью до 420 мВт при частоте повторения 100 МГц

В пятой главе рассмотрены методы управления усилением активных сред на кристаллах Nd:YV04, Nd:GdV04, Nd:Gd1.!tYxV04 и Nd:ScbxYxV04 ванадатов и реализации пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.

В разд. 5,1 исследовалась лазерная генерация для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а на переходе 4F3/2-1\ш для л- и ст-поляризации, как в непрерывном, так и в режиме с пассивной модуляцией добротности с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Одним из основных параметров для оценки качества работы [17,18] пассивного затвора в лазере является отношение: 0gs/O » 1, где cigs — сечение поглощения из основного состояния пассивного затвора, о -— сечение стимулированного излучения активной среды. Поэтому методики управления усилением при использовании ноляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кри-

сталлов ванадатов позволяют оптимизировать работу лазеров в режиме пассивной модуляции добротности с затворами на кристаллах Сг :УАО и

В случае я-иоляризации для кристаллов УУ()4 и Кс1:Ос1\гСЬ отношение (о85/сг) мало и составляет 2.6 и 3.1 соответственно, а для а-поляризации 9 и 15.2 соответственно.

Для разделения для я- и а-поляризации в экспериментах использовалась схема, основанная на двулучепреломлении кристаллов ванадатов (для М:У\Ю4 па = 1.9573, ле = 2.1652 на длине волны 1064 нм) и представленная на рис. 7.

Рис. 7. Схема резонатора для разделения я- и cr-поляризации излучения за счет цвулучепреломления (где а — угол наклона передней грани, Да — угол между я- и а-поляризованным излучением)

На рис. 8 приведены энергетические зависимости для Nd3f:YV04-лазера в импульсном режимах генерации лазера с пассивными затворами на основе кристаллов Cr4+:YAG. Наилучшие характеристики достигнуты для лазера с использованием G-поляризации (минимальная длительность импульса менее 3 не, максимальная пиковая мощность до 10 кВт, максимальная пиковая энергия около 35 мкДж при кпд до 25% и поляризованном излучении).

При этом для я-поляризации генерировалась последовательность импульсов, длительнос ть и частота которых были больше на порядок выше по сравнению с 0-поляризацией. Энергия в импульсе и гшковая мощность излучения также значительно отличались.

г

| ю-

Мощность накачки (Вт)

2 3 Мощность накачки (Вт)

Мощность накачки (Вт)

Мощность накачки (Вт)

Рис. 8. Зависимости длительности импульса, частоты следования, энергии и мощности в импульсе Ш:УУ04-лазера с пассивным Сг4+:УАО затвором для я- и о-поляризации выходного излучения от поглощенной мощности накачки

В разд. 5.2 проведены сравнительные исследования Ш:УУ04-лазеров и лазеров на основе композитных кристаллов иттриевых ванадатов Ш:УУ04-УУ04 для ст-поляризации излучения и пассивной модуляцией добротности с затворами Сг4+:УАС.

Для снижения влияния термолинзы в активных элементах обычно используется накачка в основное состояние [19], применение композитных кристаллов [20], модуляция излучения накачки.

В качестве активных лазерных элементов (АЭ) использовались вырезанные вдоль оси а кристаллы иттриевого ванадата размерами 4x4x2 мм и композитные кристаллы Ш:УУ04-УУ04-ванадатов с атомной концентрацией ионов неодима 1.1% с размерами 4х4х(2+4) мм. Длина недопированной части композитного кристалла составляла 2 мм. Показано, что использование композитных кристаллов предпочтительнее из-за снижения влияния термолиизы на генерационные параметры лазеров. На этих кристаллах удается достичь больших значений для энергии и мощности в импульсе.

В разд. 5.3 впервые предложены методы управления усилением активной срсды и реализация Ш3+:0<1У04-лазеров на основе кристаллов, вырезанных под углами углами б1 = 18, (р = 0 и 0 = 25, = 0 с пассивной модуляцией добротности с затворами Сг4+:УАО и У3+:УАО.

Для кристалла Ш3 +:0с1У04, вырезанного под углами в = 25, <р = 0, имеем такое же усиление, что и для кристалла, вырезанного вдоль оси а для о-поляризации, но при этом длина волны генерации такого кристалла совпадает с длиной волны в я-поляризации.

Для импульсного режима {в = 25, <р = 0) Ш3 +:0<ГУ04 -лазера в качестве пассивного затвора использовались кристаллы Сг4':УАО. Оптимальные начальное пропускание модулятора Т0 и отражение выходного зеркала на длине волны 1.06 мкм составляли 80 и 75% соответственно. Длина резонатора составляла около 12 мм. Минимальная длительность импульса 2.8 не была получена для Ыс)3+:СёУ04-лазера (6 = 25, <р = 0) при частоте следования импульсов 35 кГц. Максимальная импульсная мощность достигала более 12 кВт, при энергии в импульсе выше 32 мкДж была достигнута для АЭ на кристаллах ^Сс1\'04 (в = 25, <р = 0).

Более высокие параметры (рис. 9) получены в лазерах на основе композитных кристаллов иттриевого ванадата Ш:УУ04-УУ04, вырезанных под углами 0=25,р = 0.

ти)

а б

Рис. 9. Зависимость (а) средней мощности, длительности импульса, частоты повторения импульсов и (б) энергия в импульсе и пиковая мощность

В разд. 5.5 рассмотрены методы внутрирезонаторного ВКР-само-преобразования [21] в лазерах на композитных кристаллах иттриевого ванадата Ш:УУ04, вырезанных вдоль оси а, для сг-поляризации и для кристаллов под углами среза в = 25", <р = 0и# = 8°, р = 0в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Сг' :УАС1. Реализовано нелинейное преобразование в оранжевую область спектра в кристалле РРЬИ.

В разд. 5.6 представлены методы преобразования частоты лазеров на основе композитных кристаллов ванадагов Ш:УУ04-У\Ю4, вырезанных под углами 0=25, (/> = 0, с пассивным затвором С,г4':УАО. Исследованы три схемы преобразования в видимый и ультрафиолетовый диапазоны длин волн: с внерезонатор-ным преобразованием во вторую и четвертую гармоники, внутрирезонаторным преобразованием во вторую гармонику и внерезонаторнам преобразованием в четвертую гармонику, а также внутрирезонаторным преобразованием во вторую гармонику и многопоходовым — в четвертую гармонику.

Для генерации во вторую гармонику использовались нелинейные кристаллы ниобата лития с доменной структурой РРЬЫ, а для преобразования излучения в четвертую гармонику — нелинейные кристаллы ВВО. Средняя мощность генерации УФ-излучения для трех схем преобразования составила 5; 7 и 32 мВт соответственно.

В разд. 5.7. представлена многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний, выполненная на основе композитных кристаллов Ш:УУ04-УУ04-ванадатов, вырезанных вдоль оси а для о-поляризации и вырезанных под углами в = 25, ^ = 0, в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Сг4+:УЛО.

Медицинская лазерная установка «ЛИВАДИЯ» содержит лазерный излучатель, который выполнен в виде твердотельного лазера с продольной накачкой полупроводниковым диодом и пассивной модуляции добротности, источник питания, систему управления, преобразователь излучения в видимую и ультрафиолетовую область спектра на нелинейных кристаллах, систему выделения участков спектра и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения. Установка прошла клинические испытаиия и используется в медицинских учреждениях г. Москвы. Методики лечения и конструкция прибора защищены четырьмя патентами.

В заключении приведены основные результаты работы и дан список основных публикаций по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Исследованы поляризационно-угловые спектральные параметры Ш3+:Сс1У04, Ш3+:УУ04 и смешанных Ш3+:Ос1о7 У03 У04, Ш3<":8с0,У09УО4-кристаллов ванадатов. Показано, что использование поляризационно-угловых зависимостей спектров люминесценции позволяет управлять формой спектров люминесценции, коэффициентами усиления лазеров на основе кристаллов ванадатов, длиной волны генерации и поляризацией излучения. Предложены способы формирования новых активных сред на кристаллах ванадатов.

2. Разработаны методики получения двухчастотной генерации с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения на кристаллах ванадатов. Реализованы непрерывный режим, режимы синхронизации мод и модуляции добротности для двухчастотных лазеров. Продемонстрирована генерация разностной частоты на нелинейном кристалле ОаЯе в терагерцовом диапазоне длин волн.

3. Предложены способы управления формой спектров люминесценции и длинами волн излучения с использованием поляризационно-угловых зависимостей интенсивностей излучения кристаллов Nd3+:GdV04, Nd'+:YV04 и смешанных Nd3 :Gdo7Yo 3V04> Nd3+:Sc<uYo.gVO 4-ванадатов. Реализованы режимы синхронизации мод пикосекундных лазеров с насыщающимся поглотителями на основе наноструктурированных сред (одностенных углеродных нанотрубок, стекол с PbS-квантовыми точками) и с использованием керровской нелинейности.

4. Проведена оптимизация формы спектров люминесценции кристаллов ит-триевого Nd3+:YV04-YV04 ванадата и продемонстрирована работа фемтосекунд-ного лазера с полупроводниковым зеркалом SESAM.

5. Разработаны методы управления усилением активных сред на кристаллах Nd3+:GdV04, Nd3+:YV04, Nd3+:Gdo.7Y03V04 и Nd3+:Sc01Y09VO4 ванадатов и реализована эффективная работа лазеров с пассивной модуляцией добротности на кристаллах YAG:Cr4+ и YAG:V3+. Реализовано ВКР-самопреобразование и преобразование излучения в видимый и ультрафиолетовый диапазон длин волн.

6. На основе полученных результатов создана многоволновая лазерная медицинская установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения заболеваний широкого спектра на основе композитных кристаллов иттриевого Ш3+:УУ04-УУ04-ванадата под различными углами среза в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG и последующим преобразованием излучения в видимый и УФ-диапазоны длин волн.

Список цитированной литературы

1. O'Connor J.R. Unusual crystal-field energy levels and efficient laser properties of YV04:Nd // Appl. Phys. Lett., v.9, pp. 407-409 (1966)/

2. А.И. Загуменный, В.Г. Остроумов, И.А. Щербаков, Т. Йесен, Д.П. Мейн, Г. Хубер. Кристаллы GdV04:Nd - новый материал для лазеров с диодной накачкой // Квантовая электроника 19, 1149-1150 (1992).

3. Qin L., Meng X., Du Ch., Zhu L., Xu В., Shao Z„ Liu Zh., Fang Q., Cheng R. Growth and properties of mixed crystal Nd:YGdV04 // Journal of Alloys and Compounds, 354, 259-262 (2003).

4. Zagumennyi A.I., Kutovoi S.A., Sirotkin А.А.,- Kutovoi A.A., V.I. Vlasov V.I., Iskhakova L.D., Zavartsev Y.D., Luthy W., Feurer T. Spectroscopy and lasing of new mixed Nd-doped (Sc,Y)V04 crystals //Appl. Phys. В ,99: 159-162 (2010).

5. В.А.Сычугов, В.А.Михайлов, В.А.Кондратюк, Н.М.Лындин, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, П.А. Студеникин. Коротковолновый (1 = 914 нм) микролазер на кристалле YV04:Nd3+// Квантовая электроника, 30 (1), 1314 (2000).

6. Schmidt М., Heumann Б., Cztranovsky С., Huber G., Kutovoi S.A., Zavartsev Y. Continuous wave diode pumped Nd: GdV04 laser at 912 nm and intracavity doubling to the blue spectral range // Advanced Solid-State Lasers, of Trends in Optics and Photonics Series, Optical Society of America, Seattle, Vol. 50, p.470 (2001).

7. U. Wilier,_R. Wilk,W. Schippers, S. Bottger, D. Nodop, T. Schossig, W. Schade, M. Mikulics, M. Koch, M. Walther, H. Niemann, B. G. Uttler. A novel THz source based on a two-color Nd:LSB microchip-laser and a LT-GaAsSb photomixer // Appl. Phys. В 87, 13-16(2007).

8. W. Shi and Y.J. Ding, Coherent and widely-tunable terahertz and millimeter-waves based on difference-frequency generation inGaSe and ZnGeP2 // Opt. Photon. News, p. 57 (2002).

9. S. Iijima, T. Ichinashi, Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter // Nature 363, 603-605 (1993).

10. S.Y. Set, H. Yaguchi, Y. Tanaka, M. Jablonski, Y. Sakakibara, A. Rozhin, M. Tokumoto, H. Kataura, Y. Achiba, K. Kikuchi. Mode-locked fiber lasers based on a saturable absorber incorporating carbon nanotubes //Optical Fiber Comm. Conference^ Tech. Digest, no. PD44 (2003).

11. Екимов А.И., Онущенко A.A. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ, Т. 34, № 6, с.363-366 (1981).

12. Онущенко А.А., Гапоненко М.С., Голубков В.В., Жилин А. А., Маляревич А. М., Петровский Г. Т., Юмашев К. В. Наноструктурированные стеклокристал-лические материалы с сульфидом свинца для пассивной модуляции добротности ИК лазеров // Оптический журнал, Т.73. № 9. С.4-12 (2006).

13. K.J. Blow, D. Wood. Mode-locked lasers with nonlinear external cavities // J. Opt. Soc. Amer. B, v. 5, pp.629 -632 (1988).

14. U. Keller, K.J. Weingarten, F.X. Kartner, D. Kopf, B. Braun, I.D. Jung, R. Fluck, C. Honninger, N. Matuschek, J.A. der Au. Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers.// IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2,435-453 (1996).

15. K. Siebert, G.C. Cho, W. KUtt, H. Kurz, D.H. Reitze, J.I. Dadap, H. Ahn, M.C. Downer, A.M. Malvezzi. Femtosecond carrier dynamics in graphite.// Phys. Rev. В 42, 2842-2851 (1990).

16. I. Vodchits, V.A. Orlovich, P.A. Apanasevich. Nonlinear refractive index of vanadate ciystals in the near IR region // J. Appl. Spectrose., v. 78, No. 6,977-980 (2012).

17. Xiao G., and M. Bass, A generalized model for passively Q-switched lasers including excited state absorption in the saturable absorber // IEEE J. Quantum Electronics, 33, pp. 41-44, January (1997).

18. Degnan J.J. Optimization of passively Q-switched lasers.// IEEE J. Quantum Electronics, 31, pp. 1890-1901, November 1995.

19. V. Lupei, N. Pavel, Y. Sato, T. Taira, Highly efficient 1063-nm continuous-wave laser emission in Nd:GdV04 // Opt. Lett. 28,2366-2368 (2003).

20. Tsunekane M., Taguchi N., Inaba H. High power operation of diode-end pumped Nd:YV04 laser using composite rod with undoped end // Electronics Letters, v.32, 40-42(1996).

21. A.A. Kaminskii, K. Ueda, H.J. Eichler, Y. Kuwano, H. Kouta, S.N. Bagaev, Т.Н. Chyba, J.C. Barnes, G.M.A. Gad, T. Murai, J. Lu, Tetragonal vanadates YV04 and GdVOi—new efficient x0'-materials for Raman lasers // Opt. Commun. 194, 201-206 (2001).

Публикации автора по теме диссертации

1. A.I. Zagumennyi, V.A. Mikhailov, V.l. Vlasov, A.A. Sirotkin, V.l. Podreshetnikov, Yu.L. Kalachev, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, I.A. Shcherbakov. Diode-Pumped Lasers Based on GdV04 Crystal // Laser Physics. Vol. 13, No. 3, pp. 311-318 (2003).

2. Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, Ф. Зерроук, С.А. Кутовой, В.А. Михайлов, В.В. Подрешетников, A.A. Сироткин, И.А. Щербаков, Квазитрехуровневый Nd:GdV04-\ia3ep на ). = 456 нм с диодной накачкой.// Квантовая электроника, Том 33, Номер 7, с. 651-654 (2003).

3. В.И. Власов, C.B. Гарнов, Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, С.А. Кутовой,

A.A. Сироткин, И.А. Щербаков. Новые возможности кристаллов ванадатов с неодимом как активных сред лазеров с диодной накачкой // Квантовая электроника, 37 (10), 938-940 (2007).

4. Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, IO.JI. Калачев, С.А. Кутовой, В.А. Михайлов, В.В. Подрешетников, A.A. Сироткин, И.А. Щербаков, Р. Реннер-Эрни,

B. Люти, Т. Ферер. Квазитрехуровневый Nd^.'GdajY^VO^raaep с диодной накачкой на длине волны 913 нм // Квантовая электроника, 37. №5. с. 440 -442 (2007).

5. Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, Ю.Л. Калачев, С.А. Кутовой, В.А. Михайлов, A.A. Сироткин, И .А. Щербаков, Р. Реннер-Эрни, В. Люти, Т. Ферер. Активная и пассивная синхронизация мод в Nd:Gd0,7Y03VO4^a3epe с диодной накачкой. Квантовая электроника. 37. №4. с. 315 - 318(2007).

6. Garnov S.V., Solokhin S.A., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Obraztsov P.A., Chernov A.I., Bukin V.V., Sirotkin A.A., Zagumennyi A.I., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A., Shcherbakov I.A. Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd:GdV04 and Nd:Y0.9Gdo.1V04 lasers operating at 1.34 jim // Laser Physics Letters 4, 648-651 (2007).

7. A.A. Sirotkin, S.A. Kutovoi, Yu.D. Zavartsev, V.A. Mikhailov, A.I. Zagumennyi, Yu.L. Kalachev, I.A. Shcherbakov,R. Renner-Erny, W. Luthy, T. Feurer. Hybrid

mode-locked, diode-pumped Nd:Gd0 7Y0 3V04 laser. // Laser Phys. Lett. v.4(9), p.652-655 (2007).

8. A.A. Sirotkin, S.V. Garnov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, V.I. Vlasov, L. Di Labio, W, Luthy, T. Feurer, I.A. Shcherbakov. New Lasers Based on c-Cut Vanadate Crystals. // Laser Physics, Vol. 19, No. 5, pp. 1083-1091(2009).

9. A.A. Сироткин, C.B. Гарнов, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, С.А. Кутовой, В.И.Власов, И.А.Щербаков, Двухчастотные лазеры с диодной накачкой на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси с Н Квантовая электроника, 39 (9), 802-806 (2009).

10. Obraztsov Р.Л.; Garnov S.V.; Obraztsova E.D.; Sirotkin A.A.; Lyashenko D.A.; Svirko Yu.P. Passive mode-locking of diode-pumped Nd:YAG solid state laser operated at X - 1.32 (im using carbon nanotubes as saturable absorber // Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics,4 (2), 227-231 (2009).

11. A.A. Sirotkin , L. Di Labio , A.I. Zagumennyi , Yu.D. Zavartsev , S.A. Kutovoi, V.I. Vlasov , W. Luthy , T. Feurer, A.A. Onushchenko , I.A. Shcherbakov. "Mode-locked diode-pumped vanadate lasers operated with PbS quantum dots". // Appl. Phys. B, v.94,375-379 (2009).

12. Obraztsov Р.Л., Sirotkin A.A., Obraztsova E.D., Svirko Y.P.,Garnov S.V. Carbon-nanotube-based saturable absorbers for near infrared solid state lasers // Optical Review, 17 (3) 290-293(2010).

13. Zagumennyi A.I., Kutovoi S.A., Sirotkin A.A., Kutovoi A.A., Vlasov V.I., Iskha-kova L.D., Zavartsev Y.D., Luthy W., Feurer T. Spectroscopy and lasing of new mixed Nd-doped (Sc,Y)V04 crystals //Appl. Phys B, v. 99,159-162(2010)

14. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V. Diode pumped Nd:YAG laser with active Q-switching and mode locking for hole drilling //Laser Phys., 21, p.1145 (2011).

15. A.A. Сироткин, В.И. Власов, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, С.А. Кутовой, Лазеры на кристаллах ванадатов с ст-поляризацией генерируемого излучения // Квантовая электроника, 41, № 7, 584-589 (2011).

16. А.А. Сироткин, С.В. Гарнов, В.И. Власов, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, С.А. Кутовой, И.А. Щербаков. Двухчастотные лазеры на кристаллах ванада-тов со взаимно параллельной и ортогональной поляризациями генерируемого излучения// Квантовая электроника, 42 (5), 420-426 (2012).

17. Г.Ю. Орлова, В.И. Власов, Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, И.И. Калашникова, С.А. Кутовой, B.C. Наумов, А.А. Сироткин. Влияние структурного несовершенства кристаллов ванадатов иттрия, гадолиния и смешанных ванадатов редкоземельных элементов на генерационные характеристики лазеров с полупроводниковой накачкой // Квантовая электроника, 42 (3), 208-210 (2012).

18. G.Yu. Orlova, V.I. Vlasov, Yu.D. Zavartsev, A.I. Zagumennyi, I.I. Kalashnikova, S. A. Kutovoi, V. S. Naumov, A. A. Sirotkin. The investigation of the laser properties of a new class of the mixed YIScbIV04:Nd3+ crystals.// Laser Physics, v. 22, No. 8, pp. 1-4 (2012).

19. G.P. Kuzmin, A.G. Kuzmina, O.V. Lovacheva, A.A. Sirotkin. Multiwave medical device on the diode pumped solid state laser for microbe nature disease treatment // Journal of Innovative Optical Health Sciences, v. 5, No. 2,24-28 (2012).

20. A.A. Сироткин. Многоволновая УФ-ИК лазерная установка на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YV04-YV04, вырезанных вдоль оси а, для о-поляризации излучения // Квантовая электроника, 42 (6), 524-527 (2012).

21. A.F. Bunkin, М.А. Davydov, A.Yu. Ivochkin, S.M. Pershin, A.A. Sirotkin, V.N. Strel'tsov. Four-wave mixing spectroscopy of the photo-elastic scattering resonance in Nd:YV04 crystal // Laser Physics, v. 23 (1) (2013).

22. A.A. Сироткин, С.П. Садовский, С.В. Гарнов, Двухчастотный пикосекундный лазер на кристаллах ванадатов с сигма-поляризацией излучения // Квантовая электроника, 43Д°7,600-602 (2013).

23. А.А. Сироткин, В.И. Власов, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, С.А. Кутовой, И.А. Щербаков. Управление спектральными параметрами лазеров на кристаллах ванадатов // Квантовая электроника, 44 (1), 7-12 (2014).

24. В.В. Аполлонов, В.Г. Добкин, К.В. Константинов, Т.П. Кузьмин, М.Н. Ночев-ник, A.M. Прохоров, А.А. Сироткин, В.В. Усов. Способ лечения деструктив-

ных форм туберкулеза легких методом эндокавитарного облучения ультрафиолетовым излучением и устройство для его осуществления // Патент RU, 2141859, СЦ1999).

25. М.И. Перельман, М.Н. Ночевник, В.П. Стрельцов, М.М. Рившин, Г.И. Семенов, A.A. Сироткин. Способ лечения гнойно-воспалительных процессов в мягких тканях и внутренних органах с помощью лазерного излучения и установка для его осуществления // Патент RU № 2234349 С1, (2004).

26. Сироткин A.A., Калачев Ю.Л., Кузьмин Г.П. Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний // Патент на полезную модель RU 98928 UI (2010).

27. Сироткин A.A., Калачев ЮЛ., Кузьмин Г.П. Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний //Патент RU 2448746 (2010).

28. Apollonov V.V., Konstantinov K.V., Sirotkin A.A. Uv Diode-pumped solid State laser for medicine application // SPIE, v. 3829-0277-786X, pp.135-140 (1999).

29. A.A. Sirotkin, S.V. Garnov, A.I. Zagumennyi, Y.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, I.A. Shcherbakov, S.A. Solokhin. Novel applications of GaAs crystal for solid State laser mode-locking // Technical Digest of Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), Belarus, Minsk, paper L01/I-5, p.62 (2007).

30. S.V. Garnov, E.D. Obraztsova, A.A. Sirotkin, V.V. Bukin, P.A. Obraztsov, A.I. Zagumennyi, Y.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, I.A. Shcherbakov, S.A. Solokhin, A.S. Lobach, Passive mode-locking of 1.34 pm Nd:GdV04 and Nd:Y09Gdo.iV04 lasers using carbon nanotubes as a saturable absorber. // Technical Digest of Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), Belarus, Minsk, paper L01/II-5, p.70 (2007).

31. Солохин СЛ., Образцов П.А., Сироткин A.A., ГарновС.В., Образцова Е.Д., Букин В.В. Пассивная синхронизация мод в твердотельных лазерах с использованием одностенных углеродных нанотрубок и GaAs в качестве насыщающихся поглотителей //Сборник докладов II Всероссийской школы для студен-

тов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям. ВНИИЭФ, ИЛФИ, г. Саров, с.218-228 (2008).

32. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Gavrilov A.V., Shcherbakov I.A. Picosecond Nd:YAG diode pumped laser for hole drilling.// Technical program of Intl. Conf. «Laser Optics 2008» St.Peterburg, Russia, p.42 (2008).

33. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Bukin V.V., Obraztsov P.A., Obraz-tsova E.D., Shcherbakov I.A. Hybrid Q-switched Nd:YAG laser mode-locked with carbon nanotubes as a saturable absorber. Book of Abstracts of Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'08), Siofok, Hungary, p. 143 (2008).

34. Obraztsov P.A., Garnov S.V., Sirotkin A.A., Bukin V.V. Passive mode-locking of Nd-doped solid state lasers operated at 1.3 fim using carbon nanotubes as a saturable absorbers //Proc. of Intl. Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Holiday Centre Huhmari, Polvijarvi, Finland, p.49 (2008).

35. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Bukin V.V., Obraztsov P.A., Obraz-tsova E.D., Shcherbakov I.A. Hybrid Q-switched Nd:YAG laser mode-locked with carbon nanotubes as a saturable absorber. Book of Abstracts of Intl. Conf. «Advanced Laser Technologies (ALT'08), Siofok, Hungary, p.143 (2008).

36. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Gavrilov A.V., Shcherbakov I.A. Picosecond Nd:YAG diode pumped laser for hole drilling.//Technical Program of Intl. Conf. «Laser Optics 2008» (LO-08), St. Peterburg, Russia, p.42 (2008).

37. A.A. Sirotkin, S.V. Garnov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, V.l. Vlasov, I.A. Shcherbakov, THz source based on two-color diode-pumped C-cut vanadate lasers and GaSe nonlinear crystal // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT09), Book of Abstracts, p. 99 (2009).

38. S.V. Garnov, V.V. Bukin, A.I. Ritus, A.A. Sirotkin, T.V. Shirokich and A.G. Ste-panov. High-intensity terahertz pulses: methods of generation and applications // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'09), Book of Abstracts, p. 169 (2009).

39. Obraztsov P.A., Garnov S.V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Sirotkin A.A., Svirko Yu.P., Carbon nanotube containing medium as a saturable absorber for diode-

pumped YAG:Nd solid state laser operated at wavelength 1.32 ¡.im. II Proe. of XXIII Intl. Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March, Kirchberg, Austria, p. 113 (2009).

40. A.A. Sirotkin, D.V. Sizmin, S.V. Garnov. Polarization-resolved study of passively Q-switched diode-pumped Nd:YV04 lasers with Cr4+:YAG and V3+:YAG saturable absorbers // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'09), Book of Abstracts, p.98 (2009).

41. A.A. Sirotkin, S.V. Garnov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, V.l. Vlasov, I.A. Shcherbakov. Two-color diode-pumped vanadate lasers for THz sources.// Intl. Conf. "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnolo-gies" (FLAMN-10), Book of Abstracts, W2-3, p.134 (2010).

42. S.V. Garnov S.V.Bukin V.V., Ritus A.I., Sirotkin A.A., I.A. Shcherbakov, Ste-panov A.G. Laser methods of generation of high intensity terahertz pulses // Intl. Conf. "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-10), Book of Abstracts, PL2-4, p.21 (2010).

43. A.A. Sirotkin, S. Garnov, A. Zagumennyi, Yu. Zavartsev, S. Kutovoi, V. Vlasov, I. Shcherbakov. THz sources by deferens frequency generation and two color vanadate lasers // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'11), Golden Sands, Bulgaria, Book of Abstracts, I-3-TH, p.101 (2011).

44. G.P. Kuzmin, A.G. Kuzmina, O.V. Lovacheva, A.A. Sirotkin. Multiwave medical device on the diode pumped solid state laser for the microbe nature desease treatment // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'11), Golden Sands, Bulgaria, Book of Abstracts, O-4-BP, p.33 (2011).

45. A.A. Sirotkin, UV-VIS-IR passively Q-switched a-polarization composite YV04-Nd:YV04 laser for medicine applications // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'11), Golden Sands, Bulgaria, 2011, Book of Abstracts, P-l-LD, p. 120 (2011).

46. A.A. Sirotkin, V.l. Vlasov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, Brendel V.A., Garnov S.V., I.A. Shcherbakov, Spectral parameter control in di-

ode-pumped vanadate lasers // International Conference «Laser Optics 2012» (LO-12), St.Peterburg, Russia, Book of Abstracts, 0352(2012)

47. A.A. Sirotkin, Novel UV passively Q-switched Nd:GdV04 laser for medicine applications // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'12), Thun, Switzerland, Book of Abstracts, PaperWE-P03-LSM-07, p.132 (2012).

48. A.A. Sirotkin, V.l. Vlasov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, V.A. Brendel, S.V. Garnov, I.A. Shcherbakov. Methods control of spectral parameters in vanadate lasers // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'12), Thun, Switzerland, Book of Abstracts, Paper MO-4C-7-RO, p.132 (2012).

49. S.P. Sadovskiy, A.A. Sirotkin, S.V. Garnov. Tunable Iwo-frcquency o-polarized Nd:YV04-YV04 // Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (AL T' 13), Budva, Montenegro, Book of Abstracts, Paper LS-P-I5, p.159 (2013).

50. A.A. Sirotkin. The high peak power passively Q-switched YV04-Nd3+:YV04 laser for medicine.// Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT' 13) Budva, Montenegro, Book of Abstracts, 2013, Paper LS-P-16, p.160 (2013).

51. A.A. Sirotkin, V.l. Vlasov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavarlscv, S.A. Kutovoi, I.A. Shcherbakov. Active media formation in vanadate lasers.// Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies (ALT'13), Budva, Montenegro, Book of Abstracts, Paper LS-0-3, p.139 (2013).

52. S.P. Sadovskiy, A.A. Sirotkin, S.V. Garnov. Two-frequency a-polarizcd Nd3+:YV04—YV04 laser // Intl. Conf. ICONO/LAT-2013 (Moscow), Technical Digest LAT-01, P.106-107 (2013).

53. A.A. Sirotkin, V.l. Vlasov, A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, S.V. Garnov, I.A. Shcherbakov. Spectral parameters control in vanadate lasers // Intl. Conf. ICONO/LAT-2013 (Moscow), Technical Digest LAT-01, p.25 (2013).

54. A.A. Sirotkin. High power passively Q-switched vanadate lasers // Intl. Conf. ICONO/LAT-2013 (Moscow), Technical Digest LAT-01, P. 117-118 (2013).

Подписано в печать:

03.03.2014

Заказ № 93 71 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

На правах рукописи

05201451221

Сироткин Анатолий Андреевич

УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫМИ И ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРОВ НА КРИСТАЛЛАХ ВАНАДАТОВ

01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Москва-2014

Оглавление

Введение...............................................................................................................................8

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................24

1.1. Твердотельные лазеры на кристаллах ванадатов с полупроводниковой накачкой. .............................................................................................................................................24

1.2. Лазерные среды на основе кристаллов ванадатов. Ортованадаты редкоземельных элементов: кристаллохимия и структура соединений......................25

1.3.Физико-химические свойства кристаллов ванадата................................................30

1.4. Спектроскопические параметры кристаллов ванадатов........................................33

1.4.1. Спектры поглощения кристаллов ванадатов........................................................36

1.4.2. Спектры люминесценции кристаллов ванадатов.................................................40

1.4.3 Спектральные и генерационные характеристики смешанных ванадатов..........45

1.5. Нелинейные параметры кристаллов ванадатов.......................................................46

1.5.1 ВКР лазеры на кристаллах ванадатов....................................................................46

1.5.2 Керровская нелинейность........................................................................................48

1.6. Двухчастотные лазеры...............................................................................................50

1.7. Методы управления временными параметрами лазеров.......................................54

1.8. Медицинские приложения...................................................................................61

Выводы к Главе 1..............................................................................................................64

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-УГЛОВЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ ВАНАДАТОВ Ш3+:УУ04, Ш3+:0ёУ04, Ш3+:С(11.ХУХУ04 И Ш3+:8с,.хУхУ04 НА ПЕРЕХОДАХ

4Ез/2-41П/2 И 4РЗ/2-4 19/2..........................................................................................................66

2.1. Поляризационно- угловые спектральных параметры кристаллов ванадатов на переходах 4Рз/2-41ц/2 иона неодима..................................................................................67

2.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на основе кристаллов ванадатов............................................................................................................................79

2.3.1. Методы формирования новых активных сред лазеров на комбинации разнотипных кристаллов ванадатов................................................................................80

2.3.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на кристаллах смешанных ванадатов.......................................................................................................81

2.4 Перестройка частоты лазеров на кристаллах ванадатов.........................................82

2.4.1. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси а для а - поляризации излучения...............................................................................................83

2.4.2. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси с..........85

2.4.3. Лазеры на кристаллах ванадатов, вырезанного под углом (0 = var, ф=0).........88

2.5. Лазеры с диодной накачкой на основе кристалла Nd:GdV04...............................91

2.6. Высокоэффективные лазеры на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gd 1-xYx VO4 с диодной накачкой.................................................................................................100

2.6.1. Лазерная генерация на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gdi.xYxV04 на переходах 4F3/2-4l9/2..........................................................................................................103

2.6.2. Лазерная генерация на переходах ^т-^-хт...................... .................................104

2.7. Влияние структурного несовершенства кристаллов ванадатов на генерационные характеристики лазеров с полупроводниковой накачкой...........................................105

л |

2.8. Кристаллы смешанного иттрий-скандиевого YxSci.xV04:Nd ванадата...........111

Выводы к Главе 2............................................................................................................113

ГЛАВА 3. ДВУХЧАСТОТНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ...............................................................................................................115

3.1. Методы получения двухчастотной генерации излучения с использованием кристаллов ванадатов......................................................................................................115

3.1.1. Исследования двухчастотной генерации излучения с внесением дополнительных спектральноселективных потерь......................................................118

3.1.2. Исследования двухчастотной генерации излучения с управлением усилением активной среды................................................................................................................127

3.1.3 Исследования двухчастотной генерации с поляризационным разделением излучения..........................................................................................................................130

3.2. Двухчастотные лазеры с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном, нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации. ...........................................................................................................................................132

3.2.1.Исследование непрерывной двухчастотной генерации в кристаллах ванадатов ...........................................................................................................................................132

3.2.2.Пассивный и активной режимы модуляции добротности двухчастотных лазеров..............................................................................................................................133

3.2.3. Комбинированный режим работы двухчастотных лазеров с активной синхронизацией мод........................................................................................................136

3.3. Усилитель двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения на основе кристаллов ванадатов.........................................141

3.3.1 Усилитель с продольной накачкой.......................................................................142

3.3.2 Усилитель на слэбе скользящего падения с поперечной накачкой..................143

3.4. Генерация терагерцового THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe.............................................144

3.5 Выводы к Главе 3......................................................................................................148

Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРОВ НА КРИСТАЛЛАХ ВАНАДАТОВ......................................................................................149

4.1. Исследования нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки....................................................152

4.1.1 Спектры поглощения нанотрубок........................................................................152

4.1.2 Исследование насыщения поглощения в нанотрубках методом фемтосекундной лазерной спектроскопии «возбуждения-зондирования».....:.......................................153

4.2. Пассивная синхронизации мод в твердотельных лазерах на кристаллах ванадатов с насыщающимися поглотителями на основе нанотрубок.......................162

4.3. Активная и пассивная синхронизация мод в Nd:Gdo.7Y0.3V04 лазере с диодной, накачкой...........................................................................................................................168

4.4. Режим пассивной синхронизации мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS.....................................................................................................................................175

4.4.1 Модуляция добротности на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS....................................................179

4.4.2 Пикосекундный лазер на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS....................................................183

4.5 Фемтосекундный лазер на кристаллах ванадатов..................................................189

4.6. Выводы к Главе 4.....................................................................................................194

Глава 5. ЛАЗЕРЫ НА КРИСТАЛЛАХ ВАНАДАТОВ С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ НА ЗАТВОРАХ Cr4+:YAG И V3+:YAG. МЕДИЦИНСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................197

5.1. Исследования генерационных свойств активных сред на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а для о - поляризации излучения........................203

5.2. Пассивная модуляция добротности лазеров на на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YV04 - YV04, вырезанных вдоль оси а, для g - поляризации................................................................................................................215

5.3. Nd3 +: GdV04 -лазер на основе кристаллов, вырезанных под углом (0= 25 ф = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG...................................220

5.4. Лазер с ВКР самопреобразованием на композитных кристаллах иттриевого Nd:YV04, гадолиниевого Nd:GdV04 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.........................................................................................224

5.4.1 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а для а- поляризации................................................................................................225

5.4.2 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных, под углом (0 = 25 ф = 0), в режиме пассивной модуляции добротности с затворами Cr4+:YAG...........................................................................................................................227

5.5 Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YV04 - YV04 ванадатов........................................................................230

5.5.1. Nd3 YV04 - YV04- лазер на основе композитных кристаллов, вырезанных под углом (0= 25 ф = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG...........................................................................................................................232

5.5.2. Преобразование частоты лазеров на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YV04 - YV04, вырезанных вдоль оси а, для g - поляризации............237

5.5.3. Системы генератор-усилитель на основе на основе кристаллов ванадатов ... 240

5.7. Лазерная медицинская установка на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YV04 - YV04............................................................................................242

5.8. Выводы к главе 5......................................................................................................246

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.................................................248

Заключение.......................................................................................................................250

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

251

АББРЕВИАТУРЫ, использованные в тексте диссертации:

ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние

ИК - инфракрасный

УФ - ультрафиолетовый

YAG - иттрий алюминиевый гранат

FWHM - полная ширина на полувысоте

УКИ - ультракороткие импульсы

АОМ - акустооптический модулятор

СМ - режим синхронизации мод

KJICM - синхронизация мод на керровской нелинейности ФП - эталон Фабри-Перо

Введение

Актуальность работы. Разработка высокоэффективных твердотельных лазеров нового поколения, расширение их функциональных возможностей и методов управления режимами их генерации позволяет обеспечить прогресс в развитии оптической связи, навигационных систем, лазерной медицины, биотехнологий, мониторинга окружающей среды и в других направлениях. Развитие современной лазерной физики для решения многих научных и практических задач требует разработки и создания полностью твердотельных, компактных, высокоэффективных источников лазерного излучения, работающих в новых спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных (нано-, пико- и фемтосекундных) режимах. Поэтому разработка новых подходов к созданию источников когерентного лазерного излучения, поиск новых активных лазерных сред, получение генерации на новых длинах волн с использованием уже известных лазерных материалов, создание новых матриц, активированных традиционными ионами редкоземельных элементов, является актуальной задачей современной лазерной физики, как с научной, так и с практической точки зрения.

Основной прогресс в создании эффективных полностью твердотельных лазерных систем в новых спектральных областях связан с использованием диодной накачки.

Кристаллы ванадатов Ш3+:УУ04 , Ш3+:Сс1У04, Ш3+:ЬиУ04, Ш3+:ЬаУ04, и смешенных ванадатов типа N(1 :Сс11.хУхУ04 и N<1 :8с1_хУхУ04 - лучшие материалы для создания лазеров с диодной накачкой. Они обладают большими сечениями поглощения и вынужденного излучения, широкими линиями поглощения излучения накачки. Кристаллы ванадатов являются хорошими ВКР преобразователями, обладают высокими значениями двулучепреломления и нелинейными (керровскими) коэффициентами. Сочетание спектральных, нелинейных и механических свойств этих кристаллов приводит к высокой эффективности лазеров, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Анизотропия кристаллической решётки ванадатов позволяет получать поляризованное излучение, а высокая

теплопроводность способствует лучшему охлаждению активной среды. Преобразование длины волны излучения путем параметрической генерации, ВКР преобразований, генерации гармоник, а также суммарных и разностных частот позволяет использовать уже имеющиеся источники лазерного излучения для расширения спектрального диапазона.

Большинство известных работ посвящено использованию кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а для я- поляризации (ЕII с) лазерного излучения поскольку в этом случае наблюдается наибольшее усиление. На основе таких кристаллов ванадатов реализовано большое количество лазерных систем с рекордными энергетическими параметрами.

С другой стороны, большое сечение вынужденного излучения для ж-поляризации является серьёзным недостатком для работы в режиме пассивной модуляции добротности с широко используемыми насыщающимися поглотителями на кристаллах Сг4+:УАО и У3+:УАО. Высокое усиление активной среды в этом случае ограничивает накопление инверсии, что приводит к малой энергии генерируемого импульса и низкой пиковой мощности.

Широкое использование анизотропных свойств ванадатов требует уточнения их спектральных свойств. Приводимые в литературе спектры люминесценции для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, на переходе 4Р3/2-41|1/2 для а -поляризации значительно отличаются друг от друга. Характерной особенностью многих из них является положение абсолютных максимумов в спектрах люминесценции на переходе 4Рз/2~41ц/2 для л- и о-поляризаций. Различие свойств кристаллов ванадатов вдоль разных кристаллографических осей позволяет при необходимости выбирать направления, вдоль которых изменяются сечения усиления. Однако детальных исследований поляризационно-угловых зависимостей усиления на различных участках спектра проведено не было.

Экспериментальные исследования поляризационно-угловых спектральных

3+ 3+ 3+

параметров кристаллов ванадатов N(1 :УУ04, N(1 :СёУ04, N(1 :0с11_хУхУ04 и №3+:8с1.хУхУ04 на переходах 4Рз/2-41ц/2 и 4Р3/2—41д/2 в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям, использование этих

зависимостей для создания на их основе новых активных сред является актуальной задачей как с точки зрения расширения фундаментальных представлений о динамике излучения в кристаллической решетке кристаллов ванадатов, так и с точки зрения создания новых источников лазерного излучения с расширенными спектральными и временными возможностями.

Целью диссертационной работы являлось исследование поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров в кристаллах ванадатов на переходах 4Р3/2-41ц/2 и ^ж-Ьп ионов неодима, разработка методики создания высокоэффективных активных сред на их основе, исследование процессов управления временными параметрами для получения лазерного излучения в различных спектральных диапазонах в непрерывном и импульсных режимах.

В рамках этого направления решаются следующие основные задачи:

1. Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов ванадатов Ш3+:УУ04, Ш3+:0ёУ04 и Ш3+:ЬиУ04 на переходах 4Р3/2-41п/2 и 4Р3/2-419/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.

2. Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров

Л I О I

кристаллов смешанных ванадатов N(1 :0с11_хУхУ04 и N<1 :8с1_хУхУ04 на переходах 4Р3/2—4111/2 и 4Р3/2-419/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.

3. Создание методик формирования высокоэффективных активных сред на основе поляризационно-угловых спектров люминесценции кристаллов ванадатов и смешанных ванадатов. Исследование влияние расщепления уровней ионов неодима на форму спектров люминесценции смешанных ванадатов. Управление коэффициентами усиления и длинами волны генерации для различных направлений среза кристаллов.

4. Разработка методик получения двухчастотной генерации лазеров на кристаллах ванадатов Ш3+:УУ04, Ш3+:0с1У04, Ыс13+:0с11.хУхУ04 и Ш3+:8с,.хУхУ04 с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения.

5. Получение терагерцового THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации в нелинейных кристаллах GaSe.

6. Исследование генерационных и спектральных параметров лазеров на кристаллах ванадатов Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04 и Nd3+:LuV04 и смешанных ванадатов Nd3+:Gdi.xYxV04 и Nd3+:Sci.xYxV04 на переходах 4F3/2—4Ii 1/2 и 4F3/2—4l9/2 ионов неодима с управлением длиной волны генерации.

7. Исследование поляризационных зависимостей генерации Nd3+:YV04, Nd3+:GdV04, Nd3+:Gd].xYxV04 и Nd3+:Sci_xYxV04 лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

8. Создание лазеров высокой пиковой мощности