Спектроскопия возбужденных состояний ионов переходных металлов и редкоземельных элементов в кристаллических материалах для твердотельных лазеров Кулешов, Николай Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Твердотельные лазеры на основе

кристаллов с ионами переходных и редкоземельных элементов, известные уже

более 30 лет, переживают мощный подъем в последние годы. Он обусловлен рядом

причин, важнейшими из которых являются: 1) получение перестраиваемой по

длине волны генерации на электронно-колебательных переходах ионов

переходных металлов при комнатной температуре; 2) быстрый прогресс в

технологии производства лазерных диодов, обеспечивший новые эффективные

источники накачки и возможность создания полностью твердотельных (т.е.

:остоящих только из твердотельных оптических элементов) лазеров; и 3) открытие

говых методов получения импульсов ультракороткой длительности (в первую

эчередь - методов, основанных на использовании керровской нелинейности).

элагодаря интенсивному развитию физики твердотельных лазеров реальностью

лгали компактные лазерные системы с мощностью излучения в сотни ватт,

:пособные перестраивать длину волны излучения в широком спектральном

інтервале (диапазон перестройки некоторых активных сред достигает 400 нм), а

акже системы, позволяющие генерировать импульсы длительностью несколько

іесятков фемтосекунд и более короткие. Одним из важнейших направлений

ісследований, без которого указанные достижения были бы невозможными,

вляется поиск и разработка новых лазерных материалов. Разработанные ранее,

орошо известные и широко используемые лазерные кристаллы не всегда

довлетворяют требованиям, предъявляемым при использовании новых

ехнопогий. Так, например, самые распространенные до последнего времени

ристаллы иттрий-алюминиевого граната с неодимом оказались не самыми

учшими материалами для лазеров с диодной накачкой и вытесняются

ристаллами YV04:Nd и LaSc3(B03)4:Nd. Очень быстро прогрессируют лазеры на

снове содержащих иттербий кристаллов и стекол, способные конкурировать с

еодимовыми лазерами по эффективности и мощности излучения и позволяющие,

тому же, перестраивать длину волны излучения. Новые лазерные ионы

гетракоординированные ионы Сг⁴"¹", Сг²⁺, Мп⁵⁺, и др.) генерируют излучение,

ерестраиваемое в ИК диапазоне вплоть до 3 мкм, а на уже известных ионах Рг³⁺

олучена генерация в области 5-7 мкм, которая раньше считалась недоступной для

зердотельных лазеров.

В кристаллах, содержащих тетракоординированные ионы Сг^⁺, помим генерации в ближней ИК области сравнительно недавно было обнаружен эффективное насыщение поглощения, что позволяет использовать их в качесті твердотельных пассивных затворов для неодимовых лазеров. В связи с широки практическим применением лазеров с модулированной добротностью nont новых твердотельных лазерных затворов на основе кристаллов с ионами СИ⁺ другими тетракоординированными ионами является чрезвычайно актуальным.

Ключевое место в поисках новых лазерных материалов и пассивнь затворов для твердотельных лазеров занимают исследования спектроскопичесм свойств примесных ионов в кристаллах. Одной из важнейших характерне которая определяет возможность использования кристаллов как в качесті активных лазерных сред, так и пассивных затворов, и влияет на эффективность спектральный диапазон их работы, является поглощение из возбужденнь состояний. До последнего времени именно процессы, связанные с поглощением 1 возбужденных состояний, оставались наименее исследованными в спектроскоп* кристаллов с примесными центрами. Исследования спектроскопических свойств генерационных характеристик примесных ионов переходных и редкоземельнь элементов в кристаллах, в том числе поглощения из возбужденных состояний динамики возбужденных состояний, и составляют тематику далис диссертационной работы.

Связь работы с научными программами, темами. Основная часть работ выполнена в рамках Межвузовской программы фундаментальных исследоващ "Лазер" Министерства образования РЕ. Отдельные разделы работы выполнены рамках научно-исследовательских работ по заданиям 06.13 РНТП "Беяоптика" 1.03 ГНТП "Лазер" Госкомитета по науке и технологиям РБ, а также по проекта) финансируемым Белорусским республиканским фондом фундаментальнь исследований.

Целью работы являлся поиск новых и совершенствование уже известнь лазерных материалов на основе кристаллов с тетракоординированными иона\ переходных металлов и ионами редкоземельных элементов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

определить основные процессы в возбужденных состояши тетракоординированных ионов Сг⁴⁺, V³* и Со²⁺ в кристаллах, влияющие на і

генерационные свойства и характеризующие возможность их применения в качестве пассивных затворов;

исследовать поглощение из возбужденных состояний ионов Рг³⁺ в оксидных кристаллах;

разработать твердотельные материалы для лазеров с селективной накачкой на основе кристаллов вольфраматов, легированных иттербием;

изучить возможности и предложить схемы (механизмы) возбуждения генерации в области 1.5 мкм и ап-конверсионной генерации в видимой области ионов Ег³⁺ в кристаллах KY(W04)2 на основе исследования спектров поглощения из возбужденных состояний и стимулированного излучения.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые исследованы и интерпретированы спектры поглощения из
возбужденных состояний (ЛВС) и стимулированного излучения ионов Сг⁴⁺ в
кристаллах силикатов в широком спектральном диапазоне от 200 до 2000 нм.
Установлено, что ПВС является источником потерь эффективности генерации в
исследованных материалах. Обнаружено два типа излучающих центров в
хромсодержащих кристаллах Y2SiOs. Показано, что кристаллы форстерита и
силиката иттрия, содержащие ионы Ci⁴⁺, характеризуются эффективным
насыщением поглощения из основного состояния и могут использоваться в
качестве пассивных затворов для модуляции добротности твердотельных лазеров,
излучающих в области 550-800 нм и около 1.06 мкм.

2. Обнаружено нестационарное поглощение тетракоординированных ионов
V³⁺ в кристаллах Y3AI5O12, которое принадлежит переходам из возбужденного
состояния 'Е. Исследовано нелинейное пропускание тетракоординированных
ионов V³⁺ в кристаллах УзАЬОіг на длинах волн 1.06 и 0.82 мкм, и реализован
режим модуляции добротности при использовании этих кристаллов в качестве
пассивных затворов для ряда твердотельных лазеров, излучающих в области 0.74-
1.34 мкм.

3. Впервые изучено поглощение из возбужденных состояний и
стимулированное излучение тетракоординированных ионов Со²⁺ в кристаллах
шпинелей. Показана перспективность использования кристаллов ZnGa204:Co²⁺ в
качестве активных сред для получения генерации в области около 700 нм.

1. Показано, что наведенное поглощение, обусловленное нестационарным центрами окраски и поглощением из возбужденных состояний, препятствуе получению генерации в видимой области на ионах Рг³⁺ в ряде оксидны кристаллов.

2. Впервые реализована генерация лазерного излучения на ионах Yb³⁺ кристаллах K.Y(WC>4)2 и KGd(W04>2 при лазерной и диодной накачка; Достигнутая в работе эффективность генерации при лазерной накачке 86' является, согласно нашим данным, наивысшей для лазеров на ионах Yb³⁺,

6. Исследовано поглощение из возбужденных состояний ионов Ег³⁺
кристаллах KY(WC>4)2. Впервые реализована генерация на кристалле
KY(W04)2:Er, Yb в области 1.5 мкм.

7. Получена генерация при диодной накачке на новом лазерном материале
кристалле CaGdA104:Nd³⁺.

Практическая значимость полученных результатов.

1. Выработаны рекомендации по повышению эффективности генеравд кристаллов Mg2Si04:Cr⁴⁺ при селективной накачке.

2. Предложены пассивные затворы на основе кристаллов Mg2Si04:Cr⁴ Y2Si05:Cr⁴⁺ и Y3AbOi2:V³⁺ для получения режима модуляции добротной твердотельных лазеров, излучающих в видимой и ближней ИК области спектра.

3. Разработаны новые лазерные материалы на основе кристаллов KY(WCXj
и KGd(W04)2, легированных иттербием. Разрабатывается техническ;
документация для промышленного выпуска данных материалов на заво,
"Оптик", г. Лида.

Экономическая значимость результатов. После освоения серийного пр изводства кристаллов KY(W04)2:Yb и KGd(W04)2:Yb предполагает изготавливать из них активные лазерные элементы для реализации на рын лазерных материалов.

Основные положения диссертации, выносимые на зашиту.

1. Поглощение из возбужденных состояний тетракоординированных ионі Сґ*⁺ характеризуется сильной поляризационной зависимостью и являет источником потерь на длине волны накачки 1.06 мкм и в полосе усиления кристаллах Mg2Si04:Cr⁴⁺, ограничивает спектральный диапазон перестройки

снижает эффективность генерации кристаллов Y2Si05:Cr⁴⁺ и препятствует получению генерации на кристаллах 0(13802083012.01^44-.

2. Кристаллы Mg2Si04:Cr⁴⁺, Y2Si05:Cr⁴⁺ и кристаллы Y3AI5O12,
содержащие тетракоординированные ионы V³⁺, характеризуются эффективным
насыщением поглощения из основного состояния в ближней ИК и видимой
области и могут использоваться в качестве пассивных затворов для модуляции
добротности твердотельных лазеров, излучающих в диапазоне длин волн от 550
до 1340 нм.

3. Оптические спектры поглощения и люминесценции кристаллов со структурой шпинели, легированных кобальтом, определяются занимающими гетраэдрические позиции ионами Со²⁺. Тетракоординированные ионы Со^г+ в кристаллах цинк-галлиевой шпинели характеризуются интенсивной широкополосной люминесценцией из состояния ⁴Ti(⁴P) и отсутствием поглощения из возбужденного состояния в полосе усиления перехода ⁴Tl(⁴P)->⁴A2.

4. Наведенное поглощение, обусловленное переходами из возбужденных :остояний иона Рг³⁺ и нестационарными центрами окраски, препятствует толучению генерации на кристаллах GchSiOs'.Pi³"¹", YzSiOsiPr³* и La2Be20s:Pr³⁺ в видимой области спектра.

5. Эффективность генерации ионов Yb³⁺ в кристаллах KY(W04)2 и ECGd(W04)2 при селективной накачке достигает значений свыше 80%, благодаря ;очетанию высоких сечений генерационного перехода (ЗхЮ*²⁰ см² и 2.7х10~20 см², :оответственно), приемлемой штарковской структуры уровней энергии и гсюпочительно малых тепловых потерь (< 5%).

6. Поглощение из возбужденного состояния ⁴Ііз/2 ионов Ег³⁺ в кристаллах

CY(WO3+.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный клад автора в постановку задач, проведение исследований, анализ и [нтерпретацию их результатов. Проф. Михайловым В.П. была сформулирована >бщая тематика работы и проводилось обсуждение методов и результатов сследований. Минковым Б.И., Сандуленко В.А. и Клепцыным В.Ф.

предоставлялись образцы для исследований и обсуждались получеши результаты. Остальные соавторы принимали участие в постановке некоторь методик исследований, проведении отдельных экспериментов и обсуждеш результатов совместных работ.

Апробация результатов диссертации. Основные результат
диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международнс
конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Иркутск, 1989), 6-ой, 7-ой
8-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990, 1993, 199І
IX и X Феофиловских симпозиумах по спектроскопии кристалле
активированных ионами редкоземельных и переходных металлов (Ленингра
1990, 1995), X Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирс
1990), VIII и IX Всесоюзных совещаниях-семинарах "Спектроскопия лазерні
материалов" (Краснодар, 1991, 1993); Всесоюзной конференции і

люминесценции (Москва, 1991); 7 и 8-ом Международных симпозиумах і сверхбыстрым процессам в спектроскопии (UPS) (Байройт, 1991; Вильнюс, 199: 8, 10, 11 и 12-ой Международной конференциях по твердотельным лазерг "Advanced Solid State Lasers" в США (Нью-Орлеан, 1993; Мемфис, 1995; Са Франциско, 1996; Орландо, 1997), Международных конференциях по лазерам электрооптике (Лос-Анджелес, CLEO-95, Балтимор, CLEO-97, Амстерда CLEO/EQEC-Europe-94, Гамбург, CLEO/EQEC-Europe-1996), Международш конференции по люминесценции (Сторрс, США, ICL-1993; Прага, ICL-199( Международном симпозиуме по биомедицинской оптике (Лос-Анджелес, 1994); ой Европейской конференции по дефектам В диэлектрических материал, Eurodim-94 (Лион, 1994), Международной конференции по лазерам Laser-M: (Лион, 1994), Международном конгрессе "Laser-95" (Мюнхен, 199-Международной конференции "Твердотельные перестраиваемые лазеры" (Мине 1994; Вроцлав, 1996).

Опублнковапность результатов. Результаты диссертации опубликованы 46 научно-технических изданиях, включая 34 статьи в научных журналах, публикаций в сборниках материалов конференций, 1 авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, cej глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 372 страницы, включ 135 рисунков, 35 таблиц и список литературы из 302 наименований.

Похожие диссертации на Спектроскопия возбужденных состояний ионов переходных металлов и редкоземельных элементов в кристаллических материалах для твердотельных лазеров

"Создание основ и математического обеспечения базы данных по спектроскопии соединений, активированных лантанидами, и ее использование при исследованиях материалов для лазеров"Дубаускас, Гядиминас Йонович

Исследование комплексов порфиринов с ионами переходных металлов в возбужденных электронных состояниях методами резонансного комбинационного рассеяния светаКруглик, Сергей Геннадьевич

Оптическая стойкость прозрачных материалов для мощных импульсных CO2-лазеровРогалин, Владимир Ефимович

Управление режимами модуляции добротности и синхронизации мод кристаллических неодимовых лазеров для повышения эффективности лазерного аблирования материаловСолохин Сергей Александрович

Кинетика и тепломассоперенос в газодинамических лазерах, потоках газа и плазмы и при взаимодействии лазерного излучения с материаламиРодионов Николай Борисович

Одночастотные инжекционные лазеры для атомной спектроскопии высокого разрешенияЯровицкий, Александр Владимирович

Генерация сверхкоротких импульсов в лазере с керровской нелинейностью в резонаторе и применение этого лазера в нелинейной спектроскопии гладких и профилированных поверхностейАнгелуц, Андрей Александрович

УФ лазер-индуцированная аутофлуоресцентная спектроскопия для медицинской диагностикиСалмин, Владимир Валерьевич

Спектроскопия активных сред плазменных лазеров в смесях инертных и молекулярных газовЧерникова, Елена Владимировна

Спектроскопия переохлажденной плазмы и плазменные лазерыЯнчарина, Александра Макаровна