Введение к работе
Актуальность работы
С момента реализации эффекта стимулированного излучения на кристаллах рубина (1960 г.) твердотельные лазеры играют заметную роль в решении многих задач квантовой электроники и находят все более широкое применение в науке и технике. Твердотельные лазерные среды характеризуются высоким значением плотности запасаемой энергии, длительным временем ее хранения и высокими значениями сечения индуцированного перехода, а диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Перечисленные качества позволяют создавать на основе твердотельных материалов излучающие устройства, работающие с высокой эффективностью и с высокими выходными мощностями лазерного излучения. При этом следует заметить, что наиболее востребованными на протяжении долгого времени продолжают оставаться активные материалы для лазеров, работающих в области ~ 1 мкм.
Общее количество твердотельных лазерных сред, на которых получен
эффект генерации, исчисляется сотнями, однако в повседневную практику
вошли лишь немногие из них. Наиболее широкое распространение в качестве
лазерных материалов получили диэлектрические кристаллы и стекла,
активированные редкоземельными ионами (р.з.и.). Среди кристаллов можно
выделить, например такие, как YAG, YVO4, YLF, а среди стекол широкое
распространение получили стекла на силикатной и фосфатной основах.
Активные кристаллические среды обладают высокими спектрально-
люминесцентными характеристиками, а также высокой прочностью и
теплопроводностью, что позволяет им работать эффективно и с высокой
выходной мощностью как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом
режимах генерации. Стеклянные среды имеют ряд своих преимуществ по
сравнению с кристаллическими материалами. Это, во-первых, сравнительно
простая технология синтеза стекол с высоким оптическим качеством с
последующей возможностью изготовления из них активных элементов
разной геометрической формы и размеров. Во-вторых, возможность
варьирования свойств активного материала путем изменения его состава, в том числе возможность изменения в довольно широких пределах концентрации примесных активных ионов. Кроме того, большинство кристаллов имеют узкие полосы люминесценции, что усложняет задачу получения на них ультракоротких импульсов. Лазерные стекла обладают более широкими полосами люминесценции, чем кристаллы, что упрощает задачу получения на них импульсов предельно короткой длительности, а также дает возможность перестройки длины волны генерации в пределах соответствующей полосы люминесценции. К основным недостаткам
лазерных стекол относятся меньшие, чем у кристаллов, коэффициенты усиления, низкая теплопроводность, относительно невысокие прочностные характеристики, низкая химическая стойкость в случае фосфатных стекол.
Мощный толчок к развитию и совершенствованию лазерных стекол как в нашей стране, так и за рубежом в 70-80х годах прошлого столетия был дан развертыванием программы создания лазеров для управляемого термоядерного синтеза. Для реализации этой программы требовалось создание мощных лазеров, для которых необходимо было разработать активные элементы с большими размерами. Основная ставка здесь делалась на фосфатные неодимовые стекла. При этом важнейшей задачей являлась разработка таких составов стекол и технологий их варки, которые обеспечивали бы получение лазерного стекла в больших объемах и с высоким оптическим качеством. Разработанные в те годы стекла и сегодня продолжают занимать основное место среди коммерчески доступных лазерных стекол.
Научные достижения последних 10-15 лет, и в первую очередь такие, как появление новых средств управления генерацией и доступных селективных источников накачки, а именно полупроводниковых лазеров, поставили перед разработчиками твердотельных лазерных систем и материалов новые научные и технические задачи. Так, миниатюризация лазерных систем, повышение их КПД и задача создания лазеров, генерирующих импульсы предельно короткой длительности, обусловили необходимость разработки новых активных материалов для таких лазеров. Анализ многочисленных публикаций свидетельствует о том, что основные усилия специалистов, направленные на решение упомянутых задач, были сосредоточены на поиске новых кристаллических и керамических активных сред и совершенствовании технологии их получения. Публикации же, посвященные новым лазерным стеклам, более полно удовлетворяющим современным требованиям, исчисляются единицами и в своем большинстве связаны с исследованием эрбиевых стекол для полуторамикронных лазеров. Тем не менее, в этих работах было показано, что активированные р.з.и. стеклянные среды продолжают оставаться перспективным активным материалом для твердотельных лазеров и в эпоху полупроводниковой накачки. По нашему мнению, прогрессу стекол в качестве активных лазерных материалов может способствовать разработка новых составов стекол, учитывающих специфику диодной накачки и обладающих улучшенными термопрочностными и химическими характеристиками.
Цель работы: поиск состава, отработка методики синтеза и исследование физико-химических, спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик новых неодимового и иттербиевого стекол на фосфатной основе, обладающих как можно более высокими термомеханической
прочностью и химической устойчивостью, перспективных для применения в качестве активных сред в компактных диодно-накачиваемых лазерах, излучающих в области 1 мкм.
Для достижения поставленной цели в ходе работы требовалось решить следующие задачи:
-
Разработать составы неодимового и иттербиевого стекол на фосфатной основе, обладающие повышенными термомеханической прочностью и химической стойкостью при сохранении высоких спектрально-люминесцентных свойств, присущих классу фосфатных стекол.
-
Исследовать их физико-химические и спектрально-люминесцентные свойства.
-
Отработать методику синтеза новых стекол, позволяющую получать их с высоким оптическим качеством.
-
Провести генерационные испытания разработанных лазерных стекол.
Основные защищаемые положения
-
Разработанные неодимовые и иттербиевые лазерные стекла отличаются от известных фосфатных лазерных стекол в 2-3 раза большей термической прочностью и рекордной химической стойкостью, сохраняя при этом высокие спектрально-люминесцентные свойства, присущие классу фосфатных стекол.
-
Разработана методика синтеза новых стекол. Предложенный технологический процесс позволяет получать высокооднородные отливки стекла объемом до 0,5 л, свободные от центров рассеяния и свилей. Содержание остаточных гидроксильных групп в отливках находится в пределах принятой для неодимовых лазерных стекол нормы (поглощение <5 см"1 на длине волны 3,33 мкм). Установлены возможные источники оптических потерь в разработанных стеклах в области их генерации (~1мкм) и сформулированы технологические условия получения стекол с минимальными потерями в этой спектральной области.
-
На разработанных стеклах могут быть созданы высокоэффективные миниатюрные лазеры ~1 мкм диапазона с диодной накачкой, работающие в различных временных режимах с выходной мощностью, в два раза превышающей предельную мощность аналогичных лазеров на промышленных фосфатных стеклах.
Научная новизна и практическая ценность работы
Разработаны составы новых неодимового и иттербиевого лазерных стекол на фосфатной основе для диодно-накачиваемых лазеров, превосходящие по своей термической и химической стойкости известные коммерческие лазерные стекла.
Предложена оригинальная методика синтеза, позволяющая получать разработанные стекла с высоким оптическим качеством в слитках объемом до 0,5 л.
Показано, что использование стекол на алюмоборофосфатной основе позволяет существенно повысить среднюю мощность генерации по сравнению с обычно получаемой на известных фосфатных лазерных стеклах.
Разработанные стекла могут быть использованы в качестве доступного эффективного активного материала для создания компактных диодно-накачиваемых лазеров, работающих в различных режимах, в том числе в режиме генерации фемтосекундных импульсов.
Апробация работы и публикации
Основные положения и результаты работы были представлены на 8-й и 10-й Всероссийских научных конференциях «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ) в 2009 и 2011 годах в г. Саранске, на международной конференции ALT09 в Анталье (Турция), а также неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах ИОФ РАН и конкурсах молодежных научных работ в Научном Центре Лазерных Материалов и Технологий (НЦЛМТ) ИОФ РАН. В 2011 году выступления диссертанта дважды были отмечены дипломами «Лучший научный доклад»: на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН и на 10-й Всероссийской конференции ВНКШ-2011.
По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в
научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Список
публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Личный вклад автора
Настоящая диссертация является результатом пятилетней работы автора в Институте общей физики РАН и представляет собой обобщение его работ, выполненных совместно с сотрудниками Лаборатории концентрированных лазерных материалов НЦЛМТ ИОФ РАН, Лаборатории физических и прикладных проблем твердотельных лазеров НЦЛМТ ИОФ РАН и при участии сотрудников Белорусского Национального Технического Университета (БНТУ, Минск), выполнявших лазерные испытания разработанных материалов в рамках совместного проекта РФФИ-БФФИ №08-02-90006-Бел_а. Коллективный характер экспериментальных работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами. Все основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Содержание работы изложено на 103 страницах, включая 37 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 139 наименований.
