Активные среды перестраиваемых лазеров ультрафиолетового диапазона на основе фторидных кристаллов структуры кольквиирита, тисонита и шеелита, активированных редкоземельными ионами (13.04.2009)

Автор: Семашко Вадим Владимирович

СЕМАШКО ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

Активные среды перестраиваемых лазеров ультрафиолетового диапазона на основе фторидных кристаллов структуры кольквиирита, тисонита и шеелита, активированных редкоземельными ионами

01.04.05 – оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Казань-2009

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники ГОУВПО «Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина»

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, проф. Басиев Тасолтан Тазретович

доктор физико-математических наук,

проф. Фишман Александр Израилович

доктор физико-математических наук

Андрианов Сергей Николаевич

Ведущая организация: Институт лазерной физики

Научно-производственной корпорации

"Государственный оптический институт

им. С.И.Вавилова"

Защита состоится « 18 » июня 2009 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.081.07 при ГОУВПО «Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина» по адресу: 420008, г.Казань, ул.Кремлевская, д.18

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета

Автореферат разослан «_____»_______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Камалова Дина Илевна

Актуальность проблемы

Несмотря на то, что в настоящее время лазерное излучение принципиально может быть получено практически в любом участке спектра от ВУФ до среднего ИК диапазонов, не везде удаётся обеспечить требуемые от него энергетические, спектральные и пространственные характеристики. Кроме того, методы его получения оказываются зачастую низкоэффективными, реализационно- и эксплуатационно-сложными и поэтому малопригодными для практического использования. К таким «проблемным» участкам спектра относятся УФ и ВУФ диапазоны.

]. Достигаемые при этом мощности излучения, конечно, уступают соответствующим мощностям эксимерных лазеров, но этот недостаток частично компенсируется значительно лучшими пространственными характеристиками. К сожалению, такие системы оказываются чрезвычайно громоздкими, сложными в настройке и требуют для своей эксплуатации персонала соответствующей квалификации. Кроме того, они не отличаются высокой долговременной стабильностью выходных спектральных и энергетических характеристик, а также не позволяют без кардинальной перестройки всей архитектуры лазерной системы наращивать выходную мощность генерируемого излучения.

Альтернативным и в то же время очевидным способом, позволяющим реализовывать перестраиваемое лазерное излучение непосредственно в УФ и ВУФ диапазонах спектра с желаемыми характеристиками и при этом одновременно избежать большинства вышеперечисленных недостатков, является использование в качестве рабочих лазерных переходов межконфигурационных 4fn-15d-4fn переходов редкоземельных ионов (РЗИ) в кристаллах. Главным преимуществом лазеров такого типа является простота оптической схемы в совокупности с вышеупомянутой возможностью формирования пространственных, спектральных, временных и прочих характеристик лазерного излучения непосредственно в УФ диапазоне спектра. Кроме этого, обнаружение УФ и ВУФ активных сред решает проблему усиления импульсов УФ/ВУФ когерентного излучения пико- и фемтосекундных длительностей и получения сверхмощных лазерных импульсов в этих спектральных областях. Немаловажными являются также и другие широко известные эксплуатационные преимущества (высокая концентрация активных частиц и связанный с этим высокий удельный энергосъем излучения, компактность, высокие теплофизические характеристики и пр.), присущие твердотельным активным средам по сравнению с активными средами на основе других агрегатных состояний вещества.

Однако несмотря на кажущуюся простоту реализации твердотельных лазеров УФ и ВУФ диапазона спектра до исследований, составляющих суть настоящей работы, были известны только три активированных кристаллических материала, способных генерировать лазерное излучение в указанных спектральных областях. При этом осуществить перестройку длины волны лазеров на основе этих активных сред оказалось практически невозможным. Эффективность лазерной генерации в лучшем случае составляла несколько процентов, и, что самое главное, наблюдалась деградация их лазерных и оптических характеристик в процессе работы. Все эти факторы предопределили отсутствие к этим активным средам интереса как у специалистов-исследователей, так и производителей лазерной техники. Фактически до момента первых наших публикаций в начале 90-х годов ХХ века данное направление исследований представлялось малоперспективным. Причиной такого пессимизма являются процессы, протекающие в активированных кристаллах под действием излучения накачки: поглощение из возбуждённых состояний, образование центров окраски (соляризация), изменение валентности активаторных ионов, фоторефрактивный эффект (изменение показателя преломления материала под действием оптического излучения) и т.п. Именно они обуславливают низкие энергетические, спектральные и другие эксплуатационные характеристики лазеров на 4fn-15d-4fn переходах редкоземельных ионов в кристаллах, или даже полностью исключают саму возможность возбуждения УФ/ВУФ лазерной генерации.

Таким образом, поисковые исследования новых активных сред на основе активированных фторидных кристаллов, использующих в качестве рабочих межконфигурационные 4fn-15d-4fn переходы редкоземельных ионов, являются актуальными, а их результаты имеют фундаментальное и прикладное значение.

Целью работы является создание высокоэффективных активных сред для перестраиваемых лазеров ультрафиолетового диапазона на основе фторидных кристаллов, активированных редкоземельными ионами, и исследование их спектрально-кинетических и лазерных свойств.

Научная новизна и практическая ценность

]. В настоящее время большинство ведущих лабораторий, занимающихся УФ спектроскопией кристаллических материалов и физикой твердотельных лазеров, имеют в своём распоряжении лазеры на основе активных сред, которые были созданы в результате представляемых в данной диссертации исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

Использование межконфигурационных 5d4fn-1-4fn переходов трёхвалентных лантаноидов, активированных в широкозонные диэлектрические кристаллы, позволяет создать высокоэффективные перестраиваемые твердотельные лазеры УФ и ВУФ диапазона спектра.

При поиске новых сред для твердотельных перестраиваемых лазеров УФ диапазона предпочтение следует отдавать:

диэлектрическим кристаллам с максимально возможной шириной запрещённой зоны и малой вероятностью ступенчатой (через промежуточное состояние) ионизации активаторных ионов,

кристаллам, в которых минимизировано число дефектов кристаллической решётки,

активированным кристаллам с высокими скоростями процессов рекомбинации фотоиндуцированных носителей заряда.

Кристалл LiCaAlF6:Ce3+ и соактивированный ионами Yb3+ кристалл LiLuF4:Ce3+ являются эффективными активными средами для лазеров и оптических усилителей УФ диапазона, а кристалл LaF3:Nd3+- эффективной активной средой ВУФ диапазона.

Соактивация ионами Yb3+ подавляет процессы соляризации в кристаллах LiLuF4:Ce3+ и существенно улучшает лазерные характеристики активной среды на его основе.

На межконфигурационных 5d-4f переходах ионов Ce3+ в кристаллах LiCaAlF6:Ce3+ и LiLuF4:Ce3+ реализовано эффективное усиление и генерация импульсов УФ лазерного излучения сверхкороткой длительности.


загрузка...