авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

На правах

рукописи

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 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение............................................................................................................................... 8 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 24 1.1. Твердотельные лазеры на кристаллах ванадатов с полупроводниковой накачкой.

............................................................................................................................................. 1.2. Лазерные среды на основе кристаллов ванадатов. Ортованадаты редкоземельных элементов: кристаллохимия и структура соединений...................... 1.3.Физико-химические свойства кристаллов ванадата................................................ 1.4. Спектроскопические параметры кристаллов ванадатов........................................ 1.4.1. Спектры поглощения кристаллов ванадатов........................................................ 1.4.2. Спектры люминесценции кристаллов ванадатов................................................. 1.4.3 Спектральные и генерационные характеристики смешанных ванадатов.......... 1.5. Нелинейные параметры кристаллов ванадатов....................................................... 1.5.1 ВКР лазеры на кристаллах ванадатов.................................................................... 1.5.2 Керровская нелинейность........................................................................................ 1.6. Двухчастотные лазеры............................................................................................... 1.7. Методы управления временными параметрами лазеров....................................... 1.8. Медицинские приложения................................................................................... Выводы к Главе 1.............................................................................................................. ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННО УГЛОВЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ ВАНАДАТОВ Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 И Nd3+:Sc1-хYхVO4 НА ПЕРЕХОДАХ F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2.



......................................................................................................... 2.1. Поляризационно- угловые спектральных параметры кристаллов ванадатов на переходах 4F3/2–4I11/2 иона неодима.................................................................................. 2.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на основе кристаллов ванадатов............................................................................................................................ 2.3.1. Методы формирования новых активных сред лазеров на комбинации разнотипных кристаллов ванадатов................................................................................ 2.3.2. Методы формирования новых активных сред лазеров на кристаллах смешанных ванадатов....................................................................................................... 2.4 Перестройка частоты лазеров на кристаллах ванадатов......................................... 2.4.1. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси а для - поляризации излучения............................................................................................... 2.4.2. Лазерная генерация на кристаллах ванадатов, вырезанных вдоль оси с.......... 2.4.3. Лазеры на кристаллах ванадатов, вырезанного под углом ( = var, =0)......... 2.5. Лазеры с диодной накачкой на основе кристалла Nd:GdVO4............................... 2.6. Высокоэффективные лазеры на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gd 1-xYx VO4 с диодной накачкой................................................................................................. 2.6.1. Лазерная генерация на кристаллах смешанных ванадатов Nd:Gd1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I9/2.......................................................................................................... 2.6.2. Лазерная генерация на переходах 4F3/2–4I11/2....................................................... 2.7. Влияние структурного несовершенства кристаллов ванадатов на генерационные характеристики лазеров с полупроводниковой накачкой........................................... 2.8. Кристаллы смешанного иттрий-скандиевого YxSc1-xVO4:Nd3+ ванадата........... Выводы к Главе 2............................................................................................................ ГЛАВА 3. ДВУХЧАСТОТНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ............................................................................................................... 3.1. Методы получения двухчастотной генерации излучения с использованием кристаллов ванадатов...................................................................................................... 3.1.1. Исследования двухчастотной генерации излучения с внесением дополнительных спектральноселективных потерь...................................................... 3.1.2. Исследования двухчастотной генерации излучения с управлением усилением активной среды................................................................................................................ 3.1.3 Исследования двухчастотной генерации с поляризационным разделением излучения.......................................................................................................................... 3.2. Двухчастотные лазеры с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном, нано- и пикосекундными режимах лазерной генерации.





........................................................................................................................................... 3.2.1.Исследование непрерывной двухчастотной генерации в кристаллах ванадатов........................................................................................................................................... 3.2.2.Пассивный и активной режимы модуляции добротности двухчастотных лазеров.............................................................................................................................. 3.2.3. Комбинированный режим работы двухчастотных лазеров с активной синхронизацией мод........................................................................................................ 3.3. Усилитель двухчастотных импульсов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения на основе кристаллов ванадатов......................................... 3.3.1 Усилитель с продольной накачкой....................................................................... 3.3.2 Усилитель на слэбе скользящего падения с поперечной накачкой.................. 3.4. Генерация терагерцового THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe............................................. 3.5 Выводы к Главе 3...................................................................................................... Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРОВ НА КРИСТАЛЛАХ ВАНАДАТОВ...................................................................................... 4.1. Исследования нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.................................................... 4.1.1 Спектры поглощения нанотрубок........................................................................ 4.1.2 Исследование насыщения поглощения в нанотрубках методом фемтосекундной лазерной спектроскопии «возбуждения-зондирования»............................................. 4.2. Пассивная синхронизации мод в твердотельных лазерах на кристаллах ванадатов с насыщающимися поглотителями на основе нанотрубок....................... 4.3. Активная и пассивная синхронизация мод в Nd:Gd 0.7Y0.3VO4 лазере с диодной накачкой........................................................................................................................... 4.4. Режим пассивной синхронизации мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS..................................................................................................................................... 4.4.1 Модуляция добротности на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS.................................................... 4.4.2 Пикосекундный лазер на кристаллах ванадатов с пассивной синхронизацией мод с помощью стекол с квантовыми точками PbS.................................................... 4.5 Фемтосекундный лазер на кристаллах ванадатов.................................................. 4.6. Выводы к Главе 4..................................................................................................... Глава 5. ЛАЗЕРЫ НА КРИСТАЛЛАХ ВАНАДАТОВ С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ НА ЗАТВОРАХ Cr4+:YAG И V3+:YAG.

МЕДИЦИНСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................... 5.1. Исследования генерационных свойств активных сред на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси a для – поляризации излучения........................ 5.2. Пассивная модуляция добротности лазеров на на основе композитных кристаллов ванадатов - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для Nd:YVO - поляризации................................................................................................................ 5.3. Nd3 +: GdVO4 -лазер на основе кристаллов, вырезанных под углом (= 25 °, = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG................................... 5.4. Лазер с ВКР самопреобразованием на композитных кристаллах иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG......................................................................................... 5.4.1 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси a для - поляризации................................................................................................ 5.4.2 Исследования ВКР лазера на основе кристаллов ванадатов, вырезанных, под углом ( = 25 °, = 0), в режиме пассивной модуляции добротности с затворами Cr4+:YAG........................................................................................................................... 5.5 Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YVO4 - YVO4 ванадатов........................................................................ 5.5.1. Nd3 +: YVO4 - YVO4- лазер на основе композитных кристаллов, вырезанных под углом (= 25 °, = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG........................................................................................................................... 5.5.2. Преобразование частоты лазеров на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4, вырезанных вдоль оси a, для - поляризации............ 5.5.3. Системы генератор-усилитель на основе на основе кристаллов ванадатов... 5.7. Лазерная медицинская установка на основе на основе композитных кристаллов ванадатов Nd:YVO4 - YVO4............................................................................................ 5.8. Выводы к главе 5...................................................................................................... ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ................................................. Заключение....................................................................................................................... СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................................... 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 КЛСМ – 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 Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:LuVO4, Nd3+:LaVO4, и смешенных ванадатов типа Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 – 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 - поляризации (E // c) 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 поляризации является серьёзным недостатком для работы в режиме пассивной модуляции добротности с широко используемыми насыщающимися поглотителями на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG. 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 4F3/2–4I11/2 для поляризации значительно отличаются друг от друга. Характерной особенностью многих из них является положение абсолютных максимумов в спектрах люминесценции на переходе 4F3/2–4I11/2 для - и -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 параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 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 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 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 Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 на переходах 4F3/2–4I11/ и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима в зависимости от направления регистрации по отношению к кристаллографическим осям.

2. Исследование поляризационно-угловых спектральных параметров кристаллов смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 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 Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 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+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 и смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/ ионов неодима с управлением длиной волны генерации.

7. Исследование поляризационных зависимостей генерации Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

8. Создание лазеров высокой пиковой мощности на базе композитных кристаллов Nd:YVO4 -YVO4 с пассивной модуляцией добротности для 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 ВКР самопреобразованием на кристаллах ванадатов в режиме пассивной модуляции с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Исследование нелинейных параметров одностенных углеродных 10.

нанотрубок, стекол с квантовыми точками PbS и Керровской нелинейности для Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO пикосекундной генерации и Nd3+:Sc1-хYхVO4 лазеров в режиме пассивной и гибридной синхронизации мод.

Оптимизация формы спектров люминесценции для работы 11.

фемтосекундного лазера на основе композитного кристалла иттриевого ванадата Nd:YVO4-YVO4 с полупроводниковым зеркалом SESAM.

Создание многоволновой лазерной установки бактерицидного и 12.

терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний на основе композитных кристаллов Nd:YVO4 - YVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для - поляризации и для кристаллов под различными углами среза = 250, = 0 в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые проведены экспериментальные исследования поляризационно угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и смешанных ванадатов Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 при комнатной и криогенной (азотной) температурах. Показано, что спектры люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 в кристаллах ванадатов имеют ярко выраженные угловые зависимости от направления регистрации и поляризации по отношению к кристаллографическим осям.

Установлена поляризационная зависимость излучения Штарковских уровней в спектрах люминесценции ионов Nd3+ на переходе 4F3/2–4I11/2 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 4F3/2 и нижних 4I11/2 и 4I9/2 уровней иона неодима в смешанных ванадатах (Nd3+:Gd1-хYх или Nd3+:Sc1-хYх) зависит от соотношений концентраций Y, Gd и Sc. Изменение соотношения (Gd1-хYх или Sc1-хYх) с использованием угловых зависимостей обеспечивает контролируемую трансформацию контура усиления. При этом в смешанных ванадатах меняются форма спектра и длины волн люминесценции как для - так и для - поляризации.

Впервые предложено и реализовано использование активной среды на основе комбинации двух кристаллов (Nd3+:YVO4+ Nd3+:Gd1-хYхVO4) и (Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4), 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 Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 на переходах F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 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 Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 и смешанных Nd:Gd0.7Y0.3VO4 и Nd:Sc1-хYхVO4 ванадатов с использованием методик: а) внесение дополнительных спектральноселективных 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 THz излучения с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe для нано и пикосекундного режимов лазерной генерации.

Исследованы поляризационные зависимости генерации Nd:YVO4, Nd:Gd1 и Nd:Sc1-хYхVO4 лазеров в режиме пассивной модуляции с затворами хYхVO Cr4+:YAG и V3+:YAG. Показано, что наилучшие характеристики достигнуты для лазера с использованием - поляризации.

Впервые предложены методы управления усилением активной среды и продемонстрирована эффективная работа лазера на основе кристаллов ванадатов (Nd3 +:YVO4, Nd3 +:GdVO4 ), вырезанных под углами (= 25 °, = 0), с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG. Показано, что данные лазеры работают на длинах волн, которые совпадают с длиной волны в поляризации, где усиление в среде максимально. Это позволяет создавать эффективные системы генератор-усилитель для дальнейшего нелинейного преобразования частоты.

Предложены подходы к получению эффективного ВКР самопреобразования на кристаллах иттриевого Nd:YVO4, гадолиниевого Nd:GdVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для - поляризации и для кристаллов под 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+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-лазеров.

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:YVO4 - YVO4 ванадата в режиме модуляции добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.

Научная и практическая значимость работы:

Установленные поляризационно-угловые зависимости спектральных F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов параметров в кристаллах ванадатов на переходах неодима открывают новые возможности в разработке методов создания высокоэффективных активных сред и новых лазерных систем для получения лазерного излучения с управляемыми параметрами на их основе и расширения спектра их практического применения. Настоящие исследования позволяют использовать уже существующие разработанные кристаллы ванадатов для получения новых функциональных 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 (Nd3+:YLF или аллюминат иттрия Nd3+:YAl2O3).

Проведенные исследования процессов управления временными параметрами позволяют на основе кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 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 диапазон длин волн.

Созданная многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний (на основе композитных кристаллов Nd:YVO4 - YVO4 ванадатов в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG) прошла клинические испытания и в настоящее время широко используется в ЦНИИ Туберкулеза, НИИ Пульмонологии РАМН в Москве, Санкт-Петербургском НИИ фтизиопульмонологии, 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.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Спектральные параметры кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 1.

ванадатов и смешанных Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4-ванадатов на переходах F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима имеют ярко выраженные поляризационно угловые зависимости по отношению к кристаллографическим осям.

Управление длиной волны генерации в лазерах на кристаллах ванадатов на 2.

переходах 4F3/2–4I11/2 и 4F3/2–4I9/2 ионов неодима достигается ориентацией кристаллов и варьированием состава смешанных ванадатов (Gd1-хYх и Sc1-хYх).

Двухчастотная генерация лазеров на кристаллах ванадатов Nd3+:YVO4, 3.

Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 с взаимно параллельной и ортогональной поляризацией излучения создается методами внесения дополнительных спектрально-селективных потерь, управлением усиления активной среды и методом поляризационного разделения излучения.

Терагерцовое излучение реализуется при использовании разностной частоты 4.

двухчастотного лазера на кристаллах ванадатов в нелинейных кристаллах GaSe для нано- и пикосекундных режимов лазерной генерации.

Нелинейные параметры одностенных углеродных нанотрубок, стекол с 5.

квантовыми точками PbS и керровская нелинейность позволяют реализовать режимы пассивной и гибридной синхронизации мод для пикосекундной генерации Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:Gd1-хYхVO4 лазеров.

Импульсы фемтосекундной длительности достигаются при оптимизации угла 6.

среза кристаллов иттриевого Nd3+:YVO4-ванадата.

Высокая пиковая мощность излучения реализуется методами управлением 7.

усиления при использовании поляризационно-угловых зависимостей спектральных параметров кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции добротности с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Эффективное ВКР-самопреобразование на кристаллах ванадатов достигается 8.

выбором ориентации кристаллов ванадатов в режиме пассивной модуляции с затворами на кристаллах Cr4+:YAG.

Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического 9.

действия для лечения инфекционных заболеваний разработана на основе композитных кристаллов Nd:YVO4–YVO4 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. А.М. Прохорова РАН (Москва, Россия), физического факультета Бернского университета (Берн, Швейцария), Института Кристаллографии РАН (Москва, Россия).

Материалы диссертации обсуждались на международных конференциях:

International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'98), International Conference on Lasers and Electro-Optics Europe, 2003. CLEO/Europe, International Conference on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2005 (Санкт Петербург), International Conference «Laser Optics 2004» (LO-04) 2004, International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT 2005, St.Petersburg, Russia, International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2007) collocated with International Conference 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, Trondheim, Norway, International Conference on «Laser Optics 2008» (LO-08) 2008, St.Petersburg, Russia, International Conference 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, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'09), XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria, International Conference on Advanced Laser Technology, ALT’10, 2010, Egmond an See, the Netherlands, The Second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics" 2010, Koli, Finland, International Conference «Laser Optics 2010» (LO-10) 2010, St.Peterburg, Russia, International Conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies” (FLAMN-10), International Conference on Advanced Laser Technologies – ALT’11, Golden Sands, Bulgaria, 2011, International Conference «Laser Optics 2012» (LO-12) 2012, St.Peterburg, Russia, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’12), Thun, Switzerland, 2012, International Conference "Modern Laser Applications" INDLAS-2013, Bran, Romania, International Conference on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2013 (Москва), International Conference on Advanced Laser Technologies ALT’13, Budva, Montenegro.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 54 работы (выделены жирным шрифтом в списке литературы), список которых приведен ниже, из которых 23 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК [30, 70, 71, 75, 76, 176, 183, 184, 187, 224-226, 235, 244, 245, 248 250, 256, 267, 268, 280, 305];

получено 4 патента [293–296];

27 работ опубликованы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций [246, 247, 251-255, 258-266, 269, 281, 289, 290, 297–301, 303-305].

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 РАН, а также в творческом содружестве с зарубежными коллегами, которые принимали участие и оказывали помощь в проведении отдельных исследований. 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.

А.М. Прохорова РАН. 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 частичной 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/ИОФ (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 with Brookhaven National Laboratory «Development of a laser ultrasonic device for residual stress measurement in welded 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, 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 кристаллических сред на кристаллах ванадатов, в частности, высокие значения сечений люминесценции, широкие полосы поглощения, хорошие теплофизические свойства. Приведены спектры поглощения и люминесценции, нелинейные параметры для различных схемных решений твердотельных лазеров с диодной накачкой. В главе обосновывается основная цель настоящей работы – исследование новых высокоэффективных активных сред на основе кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 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 4F3/2– I11/2 и 4F3/2–4I9/2 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 Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, Nd3+:Gd1-хYхVO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO при переходе от - поляризации (Е // с, =0о) к - поляризации (Е с, =90о) или от угла между осью наблюдения и осью с (=var, =0) для комнатной и азотной температур ( - угол между вектором электрического поля Е и осью кристалла с).

Показано, что форма спектров люминесценции на переходе 4F3/2–4I11/2 для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, для – поляризации совпадает с формой спектров для кристаллов, вырезанных вдоль оси с (Е с). При переходе от - к - поляризации положения абсолютных максимумов в спектрах люминесценции смещаются в длинноволновую область. Поэтому и длины волн генерации в лазерах на этих кристаллах для - поляризации отличаются от длин волн излучения лазеров, работающих в - поляризации.

Были получены зависимости интенсивностей излучения штарковских переходов от угла поворота кристаллов. Полярные диаграммы зависимости интенсивностей излучения штарковских переходов показали, что часть штарковских переходов излучается в одной поляризации, а остальные - в ортогональной.

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

В работе исследовались генерационнные параметры кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4, ванадатов и смешанных Nd3+:Gd0,7Y0,3VO4, Nd3+:Gd0,9Y0,1VO4 и Nd3+:Y0,97Sc0,03VO4 ванадатов по трех- и четырехуровневых схем.

Отмечена корреляция между структурным несовершенством кристаллов и формой спектров люминесценции.

В третьей главе исследованы методы получения двухчастотной генерации для кристаллов иттриевого Nd3+:YVO4, гадолиниевого Nd3+:GdVO4 и смешанных Nd3+:Gd0.7Y0.3VO4 и Nd3+:Sc1-хYхVO4 ванадатов с взаимно ортогональной и параллельной поляризацией излучения в непрерывном и импульсных режимах с использованием кристаллов ванадатов.

Исследованы три метода реализации режима двухчастотной генерации:

внесение в резонатор дополнительных спектральноселективных потерь (использовались: фильтр Лио, эталон Фабри–Перо и призма Дове);

управление усилением активной среды;

использование двойного резонатора для поляризационного разделениение излучения.

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

Продемонстрирована устойчивая двухчастотная генерация на кристаллах ванадатов в непрерывном режиме, в режиме пассивной (Cr4+:YAG) и активной акустооптической АО модуляции добротности и в режиме активной АО синхронизации мод совместно с активной АО модуляцией добротности.

Получена генерация терагерцового THz излучения (0.6 и 0.9 ТГц) с использованием разностной частоты двухчастотного лазера в нелинейных кристаллах GaSe в нано- и пикосекундных режимах лазерной генерации.

В четвёртой главе рассмотрены перспективные пути создания пикосекундных и фемтосекундных лазеров с применением методов управления формой спектров люминесценции кристаллов ванадатов, и использования затворов на основе наноструктурированных материалов (полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки, стекол с квантовыми точками PbS, с Керровской нелинейностью и полупроводниковым зеркалом SESAM).

Методом спектроскопии «возбуждения–зондирования» с фемтосекундным временным разрешением исследовались нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки, изготовленных и охарактеризованных с помощью линейной спектроскопии поглощения.

Осуществлен режим самосинхронизации мод с помощью пассивного пленочного затвора но основе одностенных углеродных нанотрубок на длинах волн 1.064 и 1,34 мкм в твердотельных неодим-содержащих Nd:GdVO4 и Nd:Y0,9Gd0,1VO лазерах с ламповой накачкой Представлены исследования пикосекундных лазеров с диодной накачкой на основе кристаллов смешанного ванадата Nd:Gd0.7Y0.3VO4 с использованием керровской нелинейности для синхронизации мод. В качестве керровской среды использовались кристаллы гадолиниевого ванадата GdVO4 и шоттовское стекло SF57.

Для твердотельных лазеров диодной накачкой на основе кристаллов иттриевого Nd3+:YVO4, гадолиниевого Nd3+:GdVO4 и смешанных Nd3+:Gd0.7Y0.3VO ванадатов, вырезанных вдоль оси С, исследовались режим синхронизации мод с пассивными затворами на основе стекол легированных нанокристаллами PbS на длинах волн 1,064 и 1.34 нм.

Проведены экспериментальные исследования по оптимизации формы спектров люминесценции для кристаллов ванадатов и реализации работы фемтосекундного YVO4–Nd3+: YVO4-лазера с пассивной синхронизацией мод на полупроводниковом насыщающемся поглотителе SESAM.

В пятой главе рассмотрены методы управления усилением активных сред на кристаллах Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:Gd1-хYхVO4 и Nd:Sc1-хYхVO4 ванадатов и реализации пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Исследовалась лазерная генерация для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси a на переходе 4F3/2–4I11/2 для - и - поляризации в режиме с пассивной модуляцией добротности с затворами на кристаллах Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Проведены сравнительные исследования Nd:YVO4-лазеров и лазеров на основе композитных кристаллов иттриевых ванадатов Nd:YVO4–YVO4 для – поляризации излучения и пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG.

Предложены методы управления усилением активной среды и реализация Nd3+:GdVO4 и Nd:YVO4 - YVO4 -лазеров на основе кристаллов, вырезанных под углами (= 18°, = 0) и (= 25°, = 0) с пассивной модуляцией добротности с затворами Cr4+:YAG и V3+:YAG.

Представлена многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний, выполненная на основе композитных кристаллов Nd:YVO4 - YVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а для - поляризации и вырезанных под углом (= 25°, = 0), в режиме модуляцией добротности на пассивном затворе Cr4+:YAG.

Установка прошла клинические испытания 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.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Твердотельные лазеры на кристаллах ванадатов с полупроводниковой накачкой.

Твердотельные лазеры находят самое широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. Поэтому актуальной задачей остается расширение функциональных возможностей твердотельных лазеров и разработка высокоэффективных лазеров нового поколения. Основным прогрессом в этом направлении стал поиск новых активных сред [1-3] и переход к твердотельным лазерам с накачкой полупроводниковыми лазерными диодами[4-8].

В этих лазерах для получения генерации используют полупроводниковые лазерные излучатели. Одним из главных факторов, определяющих КПД лазеров с полупроводниковой накачкой, является эффективность передачи энергии накачки рабочему телу лазера, что приводит к значительному росту КПД и снижению тепловых нагрузок активных элементов по сравнению с лазерами с ламповой накачкой. Ресурс работы полупроводниковых лазерных диодов достигает часов.

Существуют две основные схемы накачки полупроводниковыми лазерными диодами – продольная и поперечная. В первом случае излучение накачки фокусируется с помощью оптических элементов в торец активного элемента, а во втором – со стороны его боковой поверхности.

В случае продольной накачки направление излучения накачки совпадает с направлением генерации, обеспечивая тем самым пространственное согласование объемов генерирующей моды, что позволяет наиболее эффективно использовать излучение накачки. Поэтому в таких схемах получаются максимальные коэффициенты преобразования излучения накачки в стимулированное излучение.

При больших мощностях накачки данная схема приводит к сильному локальному нагреву, образованию тепловой линзы и наведенному двулучепреломлению.

В случае поперечной накачки, лишенной вышеприведенных недостатков,возможно использование длинных активных элементов. При поперечной накачке возникают две основные проблемы: неполное согласование возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод и необходимость эффективного отвода тепла от активного элемента.

Поиск и создание новых активных сред позволяют значительно расширить функциональные возможности твердотельных лазеров с накачкой полупроводниковыми лазерными диодами. В настоящее время исследованы сотни лазерных материалов, допированных редкоземельными элементами [9-11]. Но на практике наиболее широкое распространение получили твердотельные неодимовые лазеры с длиной волны излучения ~1,06 мкм. К активным средам, используемым в таких лазерах, относятся YAG: Nd3+ (иттрий-алюминиевый гранат), YAlO3: Nd3+ (алюминат иттрия), YLF: Nd3+ (фторид иттрия лития), YSGG: Nd3+ (иттрий-скандий галиевый гранат), YAB: Nd3+ (иттрий-алюминиевый борат), YVO4: Nd3+ (ванадат иттрия), GdVO4: Nd3+ (ванадат гадолиния).

иттриевого Nd3+:YVO4 [12] и Активные среды на основе кристаллов гадолиниевого Nd3+:GdVO4 [13] и ванадатов в настоящее время находят самое широкое применение в различных лазерах с диодной накачкой вследствие оптимального сочетания спектроскопических, лазерных и тепловых свойств кристаллов ванадатов.

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

Первая публикация об исследовании лазера на кристалле иттриевого Nd3+:

YV04 ванадата, допированного ионами неодима, была сделана в 1966 году О'Коннором [12]. Сообщалось о получении лазерной генерации в условиях криогенной (азотной) температуре на длине волны 1. 06 мкм. При ламповой накачке порог генерации составлял около 1 Дж. Однако трудности роста кристаллов хорошего качества и большого размера не позволили развить эти работы. Ванадаты редкоземельных элементов до сих пор не получили широкое распространение, так как очень сложно вырастить кристаллы большого размера и высокого оптического качества. Этот материал остается одним из самых сложных в выращивании. Кроме этого, существует еще одна проблема - это включения субмикронного размера внутри растущего кристалла, появляющиеся из-за изменения валентности ванадия с образованием дополнительных фаз, таких как YVO3 или Y8V2O17 в результате инконгруэнтного испарения оксидов ванадия. Для решения этих проблем исследователи пытались выращивать YVO4 различными методами: методом Чохральского, раствор-расплавным методом и методом зонной плавки.

Дальнейшие достижения в области роста кристаллов ванадатов показали, что кристаллы иттриевого Nd3+: YV04 ванадата являются перспективным материалом лазеров благодаря хорошим механическим, оптическим и физическим свойствам.

Например, он имеет отличные оптические параметры, хорошо обрабатывается, имеет достаточную твердость, обладает высоким порогом оптического повреждения. Кристалл иттриевого Nd3+:YV04 ванадата является одноосным с сильным двулучепреломлением. Лазерное излучение поляризовано без использования каких-либо внутрирезонаторных поляризаторов.

Спектроскопические исследования кристаллов иттриевого Nd3+:YV04 ванадата, допированного ионами неодима, были описаны в 1968 году Багдасаровым Х.С. и др.[14] и в 1969 году Каминским и др.. Были представлены [15,16] спектроскопические данные для переходов ионов неодима Nd 3+ при гелиевой, азотной и комнатной температурах. Также авторами был продемонстрирован низкий порог генерации Nd3+:YV04 лазера. К сожалению, в работах не были представлены поляризационные спектры, однако была получена генерация для - (E||a) и - (E||с) поляризаций. Длины волн генерации для разных поляризаций отличались [16].

Наиболее подробные спектроскопические исследования были проведены в [17].

Представлены энергетические уровни, ширины линий и сечения люминесценции переходов энергетических уровней ионов неодима 4F3/2- 4I11/2 и 4F3/2- 4I9/2 для - и поляризаций. Исследованы поляризационные спектры при азотной и комнатной температуре. В [18] были представлены лазерные среды на кристаллах иттриевого YV04 ванадата, допированного ионами других редкоземельных элементов (Er3+, Tm3+, Ho3+ и др.).

Переход на накачку лазерными диодами снизил требования к размерам активных элементов лазеров. При продольной схеме диодной накачки появилась возможность работы с активными средами малых размеров (единицы миллиметров) и пятнами фокусировки порядка 100-400 мкм. Это и определило прогресс лазеров с диодной накачкой на основе кристаллов иттриевого Nd: YV04 ванадата, допированного ионами неодима, которые по своим параметрам во многом превосходили лазеры на алюмоитриевом гранате. Первая работа по исследованию лазера на кристалле иттриевого Nd3+: YV04 ванадата, допированного ионами неодима, с диодной накачкой была сделана в 1987 году [19]. Была достигнута дифференциальная эффективность 50%, что было наибольшим значением на данный момент исследований.

Развитием кристаллов ванадата стал гадолиниевый Nd3+:GdVO4 ванадат, выращенный в Институте Общей Физики им. А.М.Прохорова РАН силами лаборатории физики роста кристаллов в 1992 году [13]. Этот кристалл был близок по своим параметрам к иттриевому, но имел больший коэффициент поглощения. В настоящее время иттриевый и гадолиниевый ванадаты наиболее используемые активные элементы для научных и практических применений. На этих кристаллах, допированных ионами Er [20], Tm [21], Ho [22], Yb [23] и др.получены высокие параметры лазерного излучения в непрерывном и импульсных режимах.

Следующим шагом стало появление кристаллов лютециевого LuV04 [24] и лантанового LaV04 [25] ванадатов.

Кристаллы лютециевого Nd3+:LuV04 ванадата по своим параметрам близки к иттриевому и гадолиниевому, но уступают последним по теплопроводности,кроме того стоимость их значительно выше.

Nd3+:LaV Кристаллы лантанового ванадата имеют принципиальные отличия, связанные с его структурным типом. Большинство ванадатов кристаллизуются в структуре циркона с пространственной группой I41/amd и являются положительными одноосными кристаллами, а ванадат лантана имеет структуру монацита P21/n. Это объясняется различием ионных радиусов La3+ и Gd3+ или Y3+ [25]. Поэтому кристаллы Nd3+: LaV04 двухосные, обладают более широкими полосами поглощения и люминесции, но имеют гораздо меньшую анизотропию.

Дальнейшим развитием активных сред на основе кристаллов ванадатов явилось создание смешанных ванадатов. Смешанные редкоземельные ванадаты имеют общую химическую формулу Re'1-xRe''xVO4, где Re', Re'' — два или более видов ионов из ряда La3+, Pr3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+, Sc3+, Y3+. В этих кристаллах ион одного вида изоморфно замещается одним из других ионов редкоземельных элементов.

Первым смешанным кристаллом стал гадолиний-лантановый ванадат Nd3+:Gd0.5La0.5VO4 выращенный в Институте Общей Физики им.

[26], А.М.Прохорова РАН в лаборатории физики роста кристаллов в 1995 году.

Далее последовал цикл работ по росту и исследованию различных видов смешанных Nd3+:Gd1-хYхVO4 [27], Nd3+:YxLu1-xVO4. [28] Nd3+:Gd1-хLuхVO4 [29], Nd3+:Sc1-хYхVO4 [30] и других кристаллов ванадатов. Эти кристаллы сохраняют свойства своих предшественников, но при этом варьирование соотношений концентраций Y, Gd, Lu, Sc и La, позволяет изменять величину сечения индуцированного перехода, сечения поглощения, ширину линии поглощения и излучения, длины волн генерации, время жизни уровней и т.п.

В ряде работ [31,32] отмечалось, что в режиме непрерывной работы лазера на F3/2–4I11/2 смешанные ванадаты обладают меньшей переходах ионов неодима эффективностью по сравнению с GdVO4 и YVO4.

В 2001 году Каминский и др. предсказали, что кристаллы ванадатов могут быть перспективными комбинационно активными средами [33]. Исследования нелинейных параметров кристаллов ванадатов продемонстрировали уникальные параметры по вынужденному комбинационному рассеянию ВКР [34, 35], что затем было продемонстрировано в [36-39].

Исследования методами Z-скана показали, что кристаллы ванадата также имеют высокий коэффициент керровской нелинейности n2 [40,41]. Использование керровской нелинейности позволило успешно реализовать режим синхронизации мод для получения лазеров фемтосекундной длительности [42,43].

В последнее десятилетие кристаллы ванадата широко используется в Eu3+, различных областях. Кристаллы ванадата, легированные являются высокоэффективными красными люминофорами [44]. Благодаря высокому двулучепреломлению кристаллы ванадата являются отличным синтетическим заменителем для кальцита (СаСО3) и могут обеспечить работу кристаллических поляризаторов для среднего ИК диапазона длин волн (призмы Волластона, Рошона и Глана) [45].

У ортованадатов редкоземельных элементов наблюдается два структурных типа. Большинство ортованадатов d и f – металлов III группы кристаллизуются в структуре циркона с пространственной группой I41/amd,, тетрагональная сингония, а ортованадат лантана – в структуре монацита P21/n. Отсутствие у ванадата лантана изоморфной структуры циркона можно объяснить различием ионных радиусов.

Радиус иона лантана на 13% больше, чем у иона иттрия, тогда как радиус других ионов отличается не более, чем на 8 – 9% [25].

Достаточно подробно изучена структура ортованадата иттрия (рис. 1.1).

Каждый атом ванадия в структуре YVO4 окружен четырьмя атомами кислорода, которые составляют равносторонний тетраэдр, немного сжатый вдоль оси с.

Параметры элементарной ячейки составляют а = 7,118, с = 6,289 [46,47]. Таким образом, ион иттрия координирован восемью ионами кислорода, которые образуют искаженный куб (тетрагональный додекаэдр) [48]. Длина элементарной решетки по направлениям a и b равна 7,123, по направлению с равна 6,29. Атомный радиус кислорода равен 1,36, атомный радиус иттрия равен 0,98, а атомный радиус ванадия равен 0,36.

Рис. 1.1. Структура иттриевого ванадата YVO4 [46] Традиционно на практике используют кристаллы, вырезанные вдоль осей а ([100] или [010]) и вдоль оси с [001].

Пространственная ориентация активных элементов из кристаллов ванадатов представлена ниже на рис. 1. Рис. 1.2. Ориентация активных элементов по кристаллографическим направлениям.

Ниже, в таблице 1.1 приведены параметры элементарной ячейки YVO4, GdVO4, LuVO4 кристаллы ванадатов.

1.3.Физико-химические свойства кристаллов ванадата Несмотря на то, что кристаллы ванадатов были синтезированы и исследованы в течение нескольких десятилетий понимание их физико-химических свойств по-прежнему не совсем достаточно. Ряд опубликованных работ посвящен оценке физико-химических параметров, связанных с применением нелегированного и легированных YVO4, GdVO4, LuVO4 кристаллов ванадатов как лазерных материалов для активных и пассивных оптических компонентов. Имеющиеся данные обобщены в таблице 1.1. Наибольшее внимание было уделено GdVO4, LuVO4 и Nd: YVO4 кристаллов, которые широко используются исходя их их коммерческой доступности в качестве лазерных сред.

Таблица 1. Физико-химические свойства кристаллов ванадатов YVO4 GdVO4 LuVO Структура: Тетрагональная D4h-I41/amd (N141) [54] Тип кристалла: Положительный одноосный n0=na=nb, ne=nc Структурный Циркон тип Параметры a =7.12 a =7.2 1 a =7. решетки: c = 6.29 c = 6.35 c = 6. Плотность 4.22 5.47 6. (g/cm3) 1810 oC 1800 oC 1810 oC Температура плавления, oC:

Теплопроводно c:5.10 [52];

c:9.6 [49] c:8.14 [53] c:11.70 [49] c:9.94 [53] сть (при 300K: c:5.23 [52] W m-1 K-1 c:8.9 [49] c:10.1 [51] C:12.10[49] c:11.4 [51] c:7.2 [50];

c:9.4 [50] c:7.85[51] c:10.99 [51] YVO4 GdVO4 LuVO Коэффициент a=2.2 [55] a=1.5 [57] a=2.1[58], термического c=8.4[55] c=7.3 [57] c=8.3[58] расширения, a=4.4[56] x 10-6 K-1 c=11.4[56] Коэффициент n0=1.9929, n0=1.9854, n0=2. преломления, ne=2.2154, ne=2.1981, ne=2. на =0.63 m Зависимость c dna/dT=8.5 dn/dT=4. c dnc/dT=3. коэффициента преломления от температуры, 10–6/K Энергия 890 [59] 882[60] 904[61] фонона (cm1) 0.4 5.0 0.4 5.0 0.4 5. Область прозрачности, m Оптическая Нет Нет Нет активность:

Анализ данных в таблице показывает, что существует значительное расхождение в значения теплопроводности и коэффициента теплового расширения, которые имеют первостепенное значение для проектирования лазерных систем высокой мощности. В большинстве опубликованных работ измерения были привязаны к конкретной кристаллической матрице и к одному типу и концентрации допирующих примесей. Хотя влияние легирования на теплопроводность кристаллов ванадата общепризнанно, количественной оценки ее зависимости от типа и концентрации примесей в настоящее время не сделано. Очевидно, что дальнейшее систематическое исследование тепловых и термооптических свойств кристаллов ванадатов позволят получить более достоверную информацию.

В [49-51] представлены результаты измерения теплопроводности в интервале температур 50—350 К для лазерных кристаллов ванадатов на основе матриц GdVO4, и их твердых растворов. Получены эмпирические зависимости YVO теплопроводности вдоль кристаллографических осей 100 и 001 в интервале температур 200—350 К от состава кристаллов редкоземельных ванадатов Re'1 '' xRe xVO4. Измеренная при комнатной температуре теплопроводность YVO4:Nd оказалась более чем в два раза выше значений, приведенных в научной литературе [52] и в паспортных характеристиках лазерных элементов из YVO4:Nd3+, производящихся в многочисленных коммерческих компаниях. В работе отмечалось, что теплопроводность зависела от качества кристаллов. Отсюда и следует причина расхождений.


1.4. Спектроскопические параметры кристаллов ванадатов Для всех редкоземельных ионов характерно наличие узких линий люминесценции на переходах между состояниями оболочки 4f и интенсивных полос поглощения на переходах 4f5d, используемых для накачки. Незаполненная 4f оболочка хорошо экранирована от внешних полей 5s- и 5p-электронами. Поэтому влияние кристаллического поля на активный ион мало, и энергетическое положение его уровней слабо зависит от типа матрицы.

Наиболее широко используемым в настоящее время активатором являются ионы Nd3+.[1,2,3].

Рассмотрим спектроскопическую схему иона Nd3+. Оптические и лазерные свойства трехвалентного иона неодима определяются переходами внутри 4f электронной оболочки. Структура энергетических уровней свободного иона неодима определяется кулоновским взаимодействием электронов с ядром и друг с другом, а также взаимодействием спинового и орбитального момента электронов. В кристалле все уровни свободного иона испытывают расщепление за счет эффекта Штарка при взаимодействии с внутрикристаллическим полем. Каждый терм расщепляется на (2J + 1)/2 компонент, то есть уровень 4I11/2 расщепляется на подуровней, 4I13/2 на 7, 4I9/2 на 5. Метастабильным верхним уровнем рабочего перехода служит уровень 4F3/2. Нижний уровень рабочего перехода может быть представлен любым из уровней мультиплетов 4I9/2 - 4I15/2. Основной уровень это совокупность подуровней нижнего мультиплета 4I9/2.

Все переходы совершаются с одного уровня F3/2, состоящего из двух подуровней. Наиболее вероятным является переход 4F3/2 4I11/2, что примерно соответствует длине волны 1,06 мкм. Следующим по вероятности переходом является 4F3/2 4I13/2 (пять линий, две с верхнего подуровня 4F3/2 и три с нижнего) от 1,32 мкм до 1,36 мкм [62].

В активных средах с различными кристаллическими матрицами редкоземельные ионы отличаются сечением переходов и коэффициентами ветвления люминесценции ij. Даже в наиболее сильных переходах одной и той же матрицы наблюдаются большие различия в для переходов между штарковскими подуровнями, следовательно, коэффициенты усиления сигнала в активной среде и порог генерации лазера будут различны. [63].

Одними из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных микролазеров являются лазеры на иттриевом YVO4, гадолиниевом GdVO4 и лютециевом LuVO4 кристаллах ванадатов, a активатором — ионы Nd3+. Принятое обозначение этих лазеров: Nd3+: YVO4, Nd3+: GdVO4, Nd3+: LuVO4.

На рис. 1.3 приведена диаграмма энергетических уровней Nd3+ в YVO4 [45].

Излучение оптической накачки с длинами волн 808 или 880 нм переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в серию возбужденных состояний 4F3/2 или 4F5/ соответственно. Эти уровни состоят из большого числа узких, частично перекрывающихся друг с другом уровней, возникших в результате расщепления термов в электрическом поле кристаллической решетки кристаллов ванадатов.

F5/2 + 4H9/ R F3/ R 1.3 мкм X I13/ X 880 нм 1.06 мкм 808 нм Y I11/ Y 0.9 мкм Z I9/ Z Рис. 1.3 Упрощенная диаграмма энергетических уровней Nd3+:YVO С уровней, возбужденных излучением накачки, осуществляется быстрая релаксация на метастабильный уровень 4F3/2 с временем жизни tu порядка 100 мкс.

Переходы с этого уровня в состояния 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2 и 4I9/2 сопровождаются эффективной люминесценцией в области длин волн 1.31, 1.064 и 0.914 мкм.

Основная доля энергии высвечивается в переходах 4F3/24I11/2 в области длин волн 1.06 мкм. Обычно на этом переходе и осуществляется генерация. Уровень 4F3/ в электрическом поле решетки расщеплен на два подуровня, а нижний уровень 4I11/ — на шесть подуровней. Особенностью кристаллов ванадатов является низкое расщепление нижнего и верхнего уровня. Поэтому спектр люминесценции 1.06 мкм имеет сложную структуру (рис. 1.3). состоит из частично Cпектр перекрывающихся линий [18].

Уровень 4I11/2, являющийся нижним рабочим лазерным уровнем при генерации в области 1.06 мкм, расположен примерно на 0.27 эВ выше основного состояния I9/2. Эти уровни связаны между собой быстрой безизлучательной релаксацией. В то же время расстояние между ними существенно больше kТ, что обеспечивает эффективное опустошение нижнего рабочего уровня.

Неодимовые лазеры работают по четырёхуровневой или трёхуровневой схеме (рис..1.3). В кристалле Nd3+:YVO4 можно получить 3 линии генерации: 4F3/24I13/ (=1342,1нм), 4F3/24I11/2 (=1064нм) и 4F3/24I9/2 (=914нм). Время жизни уровня F3/2 составляет порядка 100 мкс, что сравнимо с временем жизни в Nd:GdVO4, но более чем в 2 раза меньше времени жизни в Nd:YAG.

Следует отметить, что возможна работа неодимового лазера на переходе F3/24I9/2, которому соответствует длина волны излучения около 912-916 нм. В этом случае нижний лазерный уровень совпадает с уровнем накачки, и описание активной среды следует осуществлять по квази-трехуровневой схеме. Такой лазерный переход может перестраиваться в пределах 900 1000 нм, но имеет очень высокий порог накачки [62].

1.4.1. Спектры поглощения кристаллов ванадатов Иттриевый YVO4,гадолиниевый GdVO4 и лютециевый LuVO4 ванадаты – положительные одноосные кристаллы. В качестве активных элементов лазеров обычно применяются кристаллы ванадатов вырезанные, вдоль оси a, для которых возможны две поляризации – (E||с) и (E||a) или вырезанные вдоль оси c (E||a, неполяризованное излучение). Кристаллы ванадатов обладают сильной анизотропией, поэтому поглощение активными элементами из ванадатов РЗЭ сильно зависит от поляризации излучения накачки.

Спектроскопические параметры ванадатов редкоземельных элементы исследованы в большом количестве работ [12-16, 20, 23-27, 30].

Основными спектральными областями поглощения для кристаллов ванадатов редкоземельных элементов, легированных ионами неодима, являются полосы вблизи длин волн 750, 810 нм и 880 нм. Области, соответствующие максимумам поглощения расположены в области 808 нм и 880 нм и соответствуют длинам волн коммерчески доступных полупроводниковых лазеров на основе арсенида галлия для накачки твердотельных активных сред.

На рис. 1.4. представлены спектры поглощения кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+:

GdVO4 для – и – поляризаций [64].

Спектр поглощения Nd:YVO4 (рис. 1.4) имеет максимум на длине волны 808,5нм, ширина линии поглощения – 1.7нм – что в 2 раза шире, чем в Nd3+:YAG, а это позволяет более эффективно использовать диодную накачку. На рисунка видно, что сечение поглощения на длине волны 808,5 нм для – поляризации почти в раза превышает значение для – поляризации.

Для Nd3+:GdVO4 сечение поглощения для – поляризованного излучения также больше чем для - поляризованного.

Спектр поглощения в области 808 нм для - поляризации излучения накачки значительно уже, чем для - поляризации. При концентрации неодима порядка ат.% кристалл Nd3+:GdVO4 имеет параметры спектра поглощения практически идентичные с кристаллом Nd3+:LuVO4[24]. Поглощение в области 808 нм кристалла Nd3+:LuVO4 в 1.3 раза выше, чем для Nd3+:GdVO4.

Рис. 1.4. Спектры поглощения кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+: GdVO4 для - и поляризациях (abs – сечение поглощения, abs – коэффициент поглощения, – длина волны) [64].

Nd3+:LuVO4 [24]характеризуется большим сечением поглощения 50·10-20 см на длине волны 880 нм для – поляризации.(см.рис.1.5). Большое значение сечения поглощения на длине волны 880 нм интересно тем, что накачка осуществляется на верхний лазерный уровень 4F3/2.

Рис. 1.5. Спектры поглощения кристаллов Nd3+:LuVO4 в - и -поляризациях (abs – сечение поглощения, abs – коэффициент поглощения, – длина волны) [24].

Это, как показано ниже на рисунке 1.6, является преимуществом из-за меньшего энергетического зазора, и позволяет увеличить квантовую эффективность с 76 % до 83 % (теоретическое значение). Что в свою очередь, позволяет снизить потери энергии накачки и индуцированные тепловые эффекты с 24 % до 17 %.

Рис. 1.6. Схемы накачки лазерных уровней неодима [24] В таблице 1.2 показаны сравнительные характеристики спектров поглощения кристаллов Nd3+:YAG, Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 и Nd3+:LuVO4 соответственно для излучения накачки c - и – поляризацией [24, 64].

Таблица 1. Nd3+:LuVO4 Nd3+:YVO4 Nd3+:GdVO4 Nd3+:YAG погл(при 808 нм), 10- - 69 - 57 – см2 6. -17 -16 - ( -и - поляризация) погл (при 808 нм), нм 1.5 1.5 1.6 0. погл(при 880 нм), 10- - 53 – 48 - см2 6. -8 -4 - ( -и - поляризация) погл (при 880 нм), (нм) 1.3 1.2 1.3 1. 1.4.2. Спектры люминесценции кристаллов ванадатов Cпектральные параметры кристаллов ванадатов исследовались в течение нескольких десятилетий, однако понимание особенностей спектров вынужденного излучения по-прежнему далеко от необходимого из-за большого разброса значений параметров, представленных в литературе.

На рис. 1.7 показан спектр люминесценции кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+:

GdVO4 ванадатов для - и -поляризации в спектральном диапазоне 850 – 1450 нм [64].

Рис. 1.7. Спектры люминесценции кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+: GdVO4 для - и поляризации (ем – сечение люминесценции) при комнатной температуре на переходах 4F3\ I9/2, 4F3/2 4I11/2, 4F3/2 4I13/2 соответственно [64].

Спектры в области длин волн 850-950 нм, 1050-1100 нм и 1330-1400 нм соответствуют переходам 4F3\2 4I9/2, 4F3/2 4I11/2 и 4F3/2 4I13/2 соответственно [12 17]. Кристаллы ванадатов обладают сильной анизотропией, поэтому интенсивность излучения спектров люминесценции кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+: GdVO ванадатов РЗЭ сильно зависит от поляризации. Так сечения люминесценции кристаллов Nd3+: YVO4 и Nd3+: GdVO4 ванадатов на переходе 4F3/2–4I11/2 для - и поляризациях отличаются почти в 4 раза.

Рис. 1.8. Спектры вынужденного излучения кристаллов Nd3+:LuVO4 в - и -поляризациях (em – сечение вынужденного излучения, – длина волны) при комнатной температуре: a) 4F3/ I9/2, b) 4F3/2 4I11/2, с) 4F3/2 4I13/2 соответственно [24] Широкое использование анизотропных свойств ванадатов требует уточнения их спектральных свойств. Приводимые в литературе спектры люминесценции для кристаллов Nd3+:YVO4, Nd3+:GdVO4 ванадатов, вырезанных вдоль оси а на переходе F3/2–4I11/2 для – поляризации, значительно отличаются друг от друга [13,64-66,67 69]. Характерной особенностью многих из них является положение абсолютных F3/2–4I11/ максимумов в спектрах люминесценции на переходе для – поляризованного излучения. Кроме того очевидно, что форма спектра для кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а для – поляризации должна совпадать с формой спектров для кристаллов, вырезанных вдоль оси с [70,71], поскольку и в том и другом случаях поле Е перпендикулярно оси С (E c).

В качестве примера приведем спектры люминесценции для кристаллов Nd3+:

YVO4 и Nd3+: GdVO4 ванадатов для - и -поляризациях различных авторов [64-65, 67-68].

А. Б.

В.

Г.

Рис. 1.8.спектры люминесценции для кристаллов Nd3+: YVO4 (а.[65].и б..[67]) и Nd3+: GdVO (в.[64].и г.[68]).ванадатов для -поляризации.

Из приведенных рисунков видно, что для спектров с - поляризацией излучения положение абсолютных максимумов в спектрах люминесценции различаются. Соответственно отличаются и величины сечений люминесценции почти в 1.5 раза. На наш взгляд ошибка в измерении спектров связана с большой анизотропией кристаллов ванадатов и соответственно с большой разницей в величинах сечения люминесценции для – поляризации (отличаются почти в 4 раз) по сравнению с - поляризацией.

Уточнение спектров люминесценции кроме академического имеет и чисто практический интерес. При совпадении положений абсолютных максимумов в спектрах люминесценции для и - поляризаций становится возможным усиление - поляризованных импульсов в направлении – поляризации. При несовпадении – должны изменяться длины волн генерации лазеров с бесселективным резонатором, а также возможна реализация простых схем для получения двухчастотной генерации с взаимно параллельными и ортогональными поляризациями.

В таблице 1.3 показаны сравнительные характеристики спектров излучения кристаллов Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:GdVO4 и Nd:LuVO4 соответственно для излучения накачки c - и - поляризацией. Анализ данных в таблице показывает, что существует значительное расхождение в значениях сечений люминесценции особенно для -поляризаций.

Таблица 1. Оптические и физические свойства кристаллов YAG: Nd3+, LuVO4: Nd3+, YVO4: Nd3+ и GdVO4: Nd3+ Nd3+:LuVO4 Nd3+:YVO4 Nd3+:GdVO4 Nd3+:YAG Длина волны на переходе 4F3/ 916[24] 914[74] 912[74] 4I9/2, нм Сечение индуцированного перехода изл(4F3/2 4I9/2), х10-20 7[41] 5[74] 7[74] 6.2[41] см Длина волны на переходе 4F3/ 1066 1064.1 1063.1 1064. 4I11/2, нм Nd3+:LuVO4 Nd3+:YVO4 Nd3+:GdVO4 Nd3+:YAG 120() [64] 122() [64] Сечение индуцированного 52() [64] 61() [64] 28 [72] 146() [24] перехода изл(4F3/2 4I11/2), х10- 135() [67] 102() [68] 27 [24] 35() [24] см2 28() [67] 18() [68] 28 [73] 135() [24] 76() [24] Длина волны на переходе 4F3/ 1340[48] 1342.1[48] 1342.1[48] 1341[48] 4I13/2, нм Сечение индуцированного перехода изл (4F3/2 4I13/2), х10- 43[24] 38[24] 18[24] 5.2[24] см Длина волны накачки, нм 808[24] 808.5[31] 808.4[31] 808[31] 90 [72] 90 [72] 230 [72] Время жизни люминесценции, 82 [24] 76 [24] 90 [24] 240 [24] мкс 100 [73] 90 [73] 230 [73] 1.4.3 Спектральные и генерационные характеристики смешанных ванадатов.

Смешанные редкоземельные ванадаты имеют общую химическую формулу Re'1 '' где Re', Re'' — два или более видов ионов из ряда лантаноидов. В этих xRe xVO4, кристаллах ион одного вида изоморфно замещается одним из других ионов редкоземельных элементов. В результате этого в смешанных ванадатах возникает разупорядоченная кристаллическая решетка, что в свою очередь и определяет отличие спектральных параметров от чистых ванадатов. Изоморфное замещение позволяет создавать кристаллы смешанных ванадатов, физические и оптические характеристики которых близки по свойствам ванадату иттрия и ванадату гадолиния. Такие смешанные кристаллы обладают более широкими полосами поглощения и люминесценции. Варьирование соотношений концентраций Y, Gd, Yb, Lu позволяет изменять такие параметры, как сечение индуцированного перехода, сечение поглощения, ширина линии поглощения и излучения, длина волны генерации, время жизни уровней и т.п. [75-79].

1.5. Нелинейные параметры кристаллов ванадатов.

1.5.1 ВКР лазеры на кристаллах ванадатов Создание источников когерентного лазерного излучения на новых длинах волн, в новых спектральных диапазонах является актуальной задачей современной лазерной физики, как с научной, так и с практической точки зрения. Широкие возможности для расширения спектрального диапазона работы открывают лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния ВКР [80].

К хорошим механическим, оптическими и лазерными достоинствам кристаллов ванадатов и смешанных ванадатов можно отнести приложения, связанные с их (3) нелинейными свойствами и в частности их ВКР активностью [33 34,81].

ВКР параметры были продемонстрированы для большого числа кристаллов ванадатов и смешанных ванадатов активированные ионами Nd3+, Ho3+, Tm3+ результаты показаны в таблице 1.4.

Таблица 1. Параметры ВКР-активных мод в кристаллах ванадатов (T=300K) Кристалл Поляриз. Ссылка nR DnR T2 sint speak см-1 см-1 рs возбужд.

E C KGd(WO4)2 901 6.8.4 50 35 [82] YVO4 892 2.6 3.8 E //C4 92 76 [83] E C4 73 55 [83] GdVO4 885 3.0 3.3 E //C4 92 66 [83] E C4 62 45 [83] LuVO4 900 5.0 1.9 [84] Кристалл Поляриз. Ссылка nR DnR T2 sint speak см-1 см-1 рs возбужд.

YbVO4 897 5.6 1.8 [85] ScVO4 914 [86] Y0.4Gd0.6VO4 882 [87] Gd0.5Lu0.5VO4 890 5.0 1.9 [87] Широкий диапазон прозрачности кристаллов ванадатов делают их особенно подходящими для применения в спектральном диапазоне от 0.35 до 5 мкм. С развитием эффективных, стабильных и надежных ВКР-лазеров можно решать новые перспективные задачи.

Эффективные лазеры, работающие в желтой спектральной области, привлекают повышенное внимание интересными областями применения в биомедицине, офтальмологии и дерматологии, метрологии, дистанционном зондировании и производстве дисплеев [88]. Для этого применяют несколько способов. Один из них, это генерация суммарной частоты двух инфракрасных лазерных линий в ионах Nd3+ на 1,06 мкм и 1,3 мкм [89,90], но такие системы достаточно сложны. В последнее время наиболее привлекательным способом для получения эффективного и надежного источника желтого света для преобразования в желтый спектральный диапазон - это использование второй гармоники (ГВГ ) твердотельного ВКР-лазера [91].Результаты исследований различных научных групп показывают, что внутрирезонаторное удвоение частоты лазеров на основе кристаллов ванадатов Nd3+: YVO4 или Nd3+: GdVO4 с ВКР-самопреобразованием излучения является эффективным способы для получения желтого излучения.

Главное преимущество ВКР-самопреобразования заключается в том, что исключает необходимость использования отдельного комбинационного кристалла. Активный элемент в данном случае используется и как нелинейный преобразователь. Такая схема позволяет обеспечить компактность конструкции резонатора. Наибольшая непрерывная выходная мощность излучения 2,51 Вт на длине волны 586,5 нм достигнута при внутрирезонаторном удвоении частоты Nd3+:GdVO4-лазера с ВКР самопреобразованием [92].

Другим интересным направлением является создание лазерных источников с излучением в безопасном для глаз спектральном диапазоне. 1.54-2 мкм [93]. Такие системы востребованы для медицинских, лидарных и специальных применений.

Реализация таких лазеров на основе кристаллов ванадатов продемонстрирована в [94-96], а в таблице 1.5 представлены схемы таких преобразований.

Таблица 1. Схемы ВКР преобразования в кристаллах ванадатов в [34] Кристалл SRS, 4F3/24I11/2 4F3/24I13/ cm SE, m St1, m SE, m St1, m 890 1.342 1. YVO4: Nd3+ 1.0641 1. 882 1.341 1. GdVO4: Nd3+ 1.0644 c) 1. 883 1.0651 c) 1. LuVO4: Nd3+ 1.0658 1. 1.5.2 Керровская нелинейность.

Кристаллы ортованадатов являются привлекательными лазерными материалами для создания компактных и эффективных твердотельных лазеров с диодной накачкой, работающих в пико- и фемтосекундном диапазоне длительностей.

Такие материалы характеризуются хорошими термомеханическими свойствами в сочетании с большим поглощением и высокими значениями сечений стимулированного излучения на оптических переходах в ионах редкоземельных элементов.

Yb3+:YVO4 Yb3+ Кристаллы и является хорошими : LuVO4 [97] усиливающими средами для фемтосекундных лазеров с диодной накачкой в микронной области спектра. Импульсы длительностью 120 фс при средней мощности 300 МВт были получены с диодной накачкой в Yb3+: YVO4 -лазере с пассивной синхронизацией мод с полупроводниковым насыщающимся поглотителем (SESAM)[98].

Режим пассивной синхронизации мод на керровской нелинейности (KLM) [99] является еще одной хорошо развитой техникой для генерации сверхкоротких импульсов. Уменьшение внутрирезонаторных потерь путем исключения SESAM потерь) может привести к существенному повышению (ненасыщающихся эффективности такого фемтосекундного лазера.

Одним из важнейших параметров для реализации режима пассивной синхронизации мод на керровской нелинейности является высокое значение коэффициента нелинейного преломления лазерного среды n2. В [100] показано, что иттербиевые кристаллы ванадатов характеризуются относительно высоким n2 и перспективны для режима KLM.

На иттриевом YVO4 кристалле, допированном ионами Yb3+ получены лазерные импульсы длительностью 61 фс на длине волны 1050 нм при средней выходной мощностью 54 мВт [101]. На кристалле Yb3+:LuVO4 получены лазерные импульсы длительностью 58 фс [102].



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.