Электронная компонента изменения показателя преломления лазерных кристаллов при интенсивной накачке и ее роль в формировании голографических зеркал в лазерах на динамических решетках населенности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Еремейкин, Олег Николаевич

• Еремейкин, Олег Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Еремейкин, Олег Николаевич

Глава

Глава

Содержание

Теоретическое описание электронных изменений показателя преломления лазерного кристалла Nd:YAG и результаты их предыдущих интерферометрических исследований

1.1 .Теоретическое описание электронных изменений показателя преломления

1.2.Результаты предшествующих исследований изменения показателя преломления лазерного кристалла Nd:YAG

Спектроскопические исследования механизмов заселения энергетических уровней иона Nd3+ в кристаллах Nd:YAG и Nd:YAP

2.1.Описание экспериментальной установки

2.2.Спектроскопические исследования заселения высоколежащих уровней в кристалле Nd:YAG при накачке гармониками импульсного Nd:YAG лазера

2.3.Спектроскопические исследования заселения высоколежащих уровней в кристалле Nd:YAP при накачке гармониками импульсного Nd:YAG лазера

2.4.Спектроскопические исследования кристалла Nd:YAG при комбинированной накачке диодным лазером на 808 нм и гармониками импульсного Nd:YAG лазера

2.5. Обсуждение результатов спектроскопических исследований ^

Интерферометрические исследования изменения показателя преломления в кристалле Nd:YAG при интенсивной накачке

3.1.Описание экспериментальной установки

3.2.Интерферометрические исследования изменения показателя преломления в кристалле Nd:YAG при накачке диодным лазером на 808 нм

3.3.Интерферометрические исследования изменения показателя преломления в кристалле Nd:YAG при комбинированной накачке диодным лазером на 808 нм

Глава и гармониками импульсного Nd:YAG лазера

3.4.Электронные изменения показателя преломления на длине волны 1064 нм

3.5.Обсуждение результатов интерферометрических исследований

Самоорганизующиеся лазеры на динамических голографических зеркалах

4.1.Описания основного принципа работы самоорганизующегося лазера

4.2.Исследование лазеров на кристалле Nd:YAG с интенсивной импульсной диодной накачкой и резонатором на решётках показателя преломления, обусловленных решётками населённости

4.2.1. Описание экспериментальной установки

4.2.2. Экспериментальные результаты

4.3.Исследование высокоэффективного лазера на кристалле Nd:YV04 с непрерывной диодной накачкой и резонатором на динамических решётках населённости

4.3.1. Описание экспериментальной установки

4.3.2. Экспериментальные результаты 4.4,Обсуждение основных результатов экспериментов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронная компонента изменения показателя преломления лазерных кристаллов при интенсивной накачке и ее роль в формировании голографических зеркал в лазерах на динамических решетках населенности»

В последнее десятилетие наблюдается существенный прогресс в области твердотельных лазеров, связанный с развитием новых эффективных методов накачки активных сред излучением диодных лазеров. Существующие технологии позволяют производить диодные лазеры с мощностью в десятки ватт в непрерывном и сотни ватт в импульсном режимах генерации. При этом относительно небольшие размеры диодных лазеров дают возможность построения высоко-интегрированных систем накачки [1].

Преимущества диодной накачки перед широкополосной ламповой практически неоспоримы. Узкий энергетический спектр излучения диодных лазеров при совмещении его с полосой поглощения активной среды позволяет существенно увеличить КПД твердотельных лазеров (с нескольких процентов при ламповой накачке до десятков процентов), а также уменьшить наводимые накачкой фазовые искажения, такие как тепловые линзы и деполяризация. При этом стало возможным создание компактных высокоэффективных лазерных систем с уровнем мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт, которые могут быть использованы в различных сферах деятельности (таких как прецизионные технологии, медицина, военно-технические задачи и научные исследования) [2]. Но, к сожалению, даже узкополосная диодная накачка не позволяет полностью устранить наводимые в активной среде фазовые искажения, значительно снижающие качество генерируемых пучков, что зачастую является основной проблемой, стоящей перед разработчиками мощных лазерных систем [3,4].

Хорошо известно, что наводимые интенсивной накачкой динамические оптические неоднородности способны существенно влиять на характеристики световых пучков в лазерных усилителях и генераторах. Нелинейно-оптические эффекты в лазерных кристаллах, такие как самофокусировка и пространственно-временные неустойчивости световых пучков, наблюдались уже при создании первых лазерных систем с высокой мощностью излучения [5-7]. Изучались различные механизмы нелинейностей, такие как электронный эффект Керра, электрострикция, насыщение лазерного перехода [8-10]. Сейчас хорошо известны также различные виды вынужденного рассеяния световых пучков в лазерных кристаллах и стёклах: резонансное рамановское рассеяние на оптических фононах, рассеяние на гиперзвуке, тепловое вынужденное рассеяние, рассеяние на микронеоднородностях структуры лазерных кристаллов [11-15].

Также известно, что динамические изменения показателя преломления (ИНН), возникающие в лазерных кристаллах и стеклах при интенсивной накачке, могут быть обусловлены изменением населённости уровней ионов активатора, имеющих различную поляризуемость в возбуждённом и невозбуждённом состояниях ("электронная" компонента ИНН) [ 16,17,18].

Ранее были проведены интерферометрические исследование изменения показателя преломления лазерного кристалла Nd:YAG при интенсивной ламповой накачке [19]. В ходе этих исследований была выявлена динамика показателя преломления, обусловленная изменением населённостей энергетических уровней лазерного кристалл Nd:YAG ("электронная" компонента). Результаты указывали на то, что существенные изменения показателя преломления могут быть обусловлены заселением высоколежащих энергетических уровней (2F(2)5/2, 4Бз/2 и 2Р3/2) 4^оболочки ионов Nd3+. Согласно оценкам, поляризуемость этих уровней на длине волны 1064 нм на несколько порядков превышает как поляризуемость основного состояния 419/2, так и поляризуемость верхнего уровня 4F3/2 рабочего перехода. Заселение же высокоэнергетических уровней под действием интенсивной накачки, в свою очередь, возможно как с основного состояния 419/2, так и с метастабильного уровня рабочего перехода ("поглощение из возбуждённого состояния").

Хотя сам факт существования "наведённого поглощения" (или "поглощения из возбуждённого состояния") известен достаточно давно, его влияние оценивалось лишь с точки зрения снижения инверсии населённости активной среды [20,21]. Влияние же "наведённого поглощения" на динамику показателя преломления оставалось вне рассмотрения.

Результаты интерферометрических исследований лазерных кристаллов с ламповой накачкой выявили ряд закономерностей, но не дали полного представления о механизмах ИПП и показали необходимость более детального изучения спектроскопических и нелинейно-оптических свойств активных сред, обусловленных изменением населённостей энергетических уровней ионов активаторов при интенсивной накачке. Открытым оставался вопрос о механизмах нелинейных изменений показателя преломления лазерных кристаллов при узкополосной диодной накачке.

Результаты экспериментальных исследований изменений показателя преломления, обусловленных заселением энергетических уровней ионов

1 I

Nd активаторов кристалла NdrYAG при интенсивной накачке (диодной и лазерной), представлены в первой части диссертационной работы. Отдельно рассмотрено влияние "наведённого поглощения" на динамику нелинейных изменений показателя преломления.

Наряду с пониманием природы оптических неоднородностей активных сред актуальными остаются исследования методов компенсации фазовых искажений, наводимых в лазерных усилителях и генераторах при интенсивной накачке. Одним из возможных решений этой задачи является использование лазерных резонаторов на динамических голографических зеркалах, формируемых в активной среде самими волнами генерации. Благодаря эффекту обращения волнового фронта при четырехволновом смешении такие самоорганизующиеся резонаторы обладают адаптивными свойствами к фазовым искажениям и позволяют получать генерацию с высокой (в среднем по времени) мощностью при хорошем качестве пучка, близком к дифракционному пределу [22].

Следует отметить, что лазеры с нелинейными зеркалами имеют достаточно большую предысторию. Впервые вопрос о возможности создания лазера с нелинейным голографическим зеркалом, создаваемым в активной среде самими генерируемыми волнами, был сформулирован еще в середине 60-х годов [23]. Затем было выполнено большое количество работ по так называемым лазерам с распределённой обратной связью, в которых решётки населённости возбуждались пучками накачки [24-26]. Первые экспериментальные результаты о самовозбуждении схем с нелинейными решётками в лазерных кристаллах, создаваемыми генерируемыми пучками, были опубликованы в начале 80-х годов [27]. В 80-х - начале 90-х эти исследования, в основном, развивались в русле изучения обращающих волновой фронт (ОВФ) зеркал на основе лазерных кристаллов и насыщающихся поглотителей [28-32]. Параллельно с этим очень активно изучались генераторы с ОВФ-зеркалами на основе вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна [32,33] и генераторы на основе фоторефрактивных кристаллов [34]. Здесь наряду с экспериментальными работами следует отметить развитие теории резонаторов с ОВФ-зеркалам [30].

Со второй половины 90-х благодаря работам некоторых групп из Англии [28,35-37], Франции [38,39], США [40] и нашей группы [41-47] интерес к этим исследованиям вновь возрос. Причем акцент переместился на изучение генераторов с самоорганизующимся резонатором, не использующих внешних световых пучков.

Существуют две принципиально отличающиеся концепции построения самоорганизующегося резонатора на динамических решётках. Первая концепция построения лазеров на динамических решётках основана на использовании решёток усиления в активной среде и невзаимного элемента внутри резонатора. Невзаимный элемент (состоящий из вращателя Фарадея, полуволновой пластинки и двух скрещенных поляризаторов) обеспечивает необходимый для резонанса фазовый сдвиг между формирующимися в противофазе решётками населённости и порождающим их интерференционным полем [28,35-39]. Была продемонстрирована лазерная генерация в системах на кристаллах Nd:YAG и Nd:YV04 с невзаимным динамическим резонатором на решётках коэффициента усиления, причем как с ламповой, так и с диодной накачкой [28,37].

Вторая концепция - лазеры с взаимным резонатором на динамических решётках показателя преломления, обеспечивающих необходимое для генерации фазовое согласование за счёт инерционности динамической голограммы [22]. До середины 90-х годов исследовались лишь петлевые системы с внешним резонатором или самоорганизующиеся системы с дополнительным нелинейным элементом (насыщающимся поглотителем, жидким кристаллом, специальным полимерным соединением и др.), где и формировались решётки показателя преломления. Возможность же генерации в самоорганизующейся системе, где в качестве нелинейно-оптического элемента используется сама активная среда, многим исследователями не представлялась очевидной. Одной из вероятных причин такого скептицизма можно назвать отсутствие достаточно полного представление как о механизмах "электронных" изменений показателя преломления (ИПП) лазерных кристаллов под действием интенсивной накачки, так и о величинах такой нелинейности. Большинство исследователей при описании нелинейных эффектов в лазерных кристаллах игнорировали "электронные" ИПП на частоте рабочего перехода, учитывая лишь эффект насыщения усиления и связанные с ним решётки коэффициента усиления [28,35-39].

Во второй половине 90-х лазеры с резонатором на динамических решётках показателя преломления, формируемым в самих лазерных кристаллах, начали активно исследовать. Были обнаружены возможности получения генерации в схемах с петлевой геометрией, включающих только лазерные кристаллы, но лишь при интенсивной широкополосной ламповой накачке. Продемонстрирована генерация в самостартующей лазерной системе на кристалле Nd:YAG с ламповой накачкой и взаимным резонатором на динамических решётках показателя преломления [22,41-45]. Достигнута генерация со средней мощностью в импульсном режиме до 250 Вт при высоком качестве пучка генерации, близком к дифракционному пределу [22].

Впоследствии встал вопрос о возможности построения самоорганизующейся лазерной системы с взаимным резонатором и кристаллом с диодной накачкой. Использование диодной накачки и взаимного резонатора даёт потенциальную возможность построения мощных лазеров с адаптивными свойствами и резонатором, имеющим минимальные размеры (вплоть до размеров самой активной среды).

Исследование возможности построения диодно-накачиваемых лазеров, резонаторы которых формируются с помощью динамических голограмм, индуцированных в лазерных кристаллах самими генерируемыми пучками, представлено во второй части диссертационной работы.

Таким образом, представленная диссертационная работа имеет следующие цели:

1. Исследование механизмов изменения показателя преломления лазерных кристаллов, обусловленных заселением энергетических уровней ионов активаторов при интенсивной накачке (диодной и лазерной):

• Исследование механизмов заселения высоколежащих энергетических уровней лазерных кристаллов при интенсивной накачке;

• Определение вклада "электронной" компоненты нелинейных изменений показателя преломления лазерных кристаллов при интенсивной накачке.

2. Исследование возможности построения диодно-накачиваемых лазеров, резонаторы которых формируются с помощью динамических голограмм, индуцированных в лазерных кристаллах самими генерируемыми пучками.

• Достижение генерации в схеме лазера с диодной накачкой и резонатором на динамических решётках показателя преломления;

• Оптимизация параметров схемы самоорганизующегося лазера с целью повышение эффективности преобразования энергии накачки в энергию генерации, а также исследование пространственно-временных характеристик выходной генерации.

Диссертационная работа состоит из четырех глав. В первой главе диссертации представлено теоретическое описание механизмов изменения показателя преломления (И1111) лазерных кристаллов (на примере кристалла Nd:YAG), обусловленных изменением населённости энергетических уровней. Показана связь ИПП с различием поляризуемости ионов активаторов в возбужденном и невозбужденном состоянии. Представлены результаты предшествующих исследований по измерению ИПП кристалла Nd:YAG при ламповой накачке, указывающих на роль заселения высоколежащих квазиметастабильных уровней (2F(2)5/2, 4D3/2 и 2Рз/2) 4£-оболочки ионов Nd3+ кристалла Nd.YAG в формировании динамических голограмм.

Во второй главе представлены результаты исследований механизмов заселения высоколежащих энергетических уровней (2F(2)5/2, 4D3/2 и 2Р3/2) кристаллов Nd:YAG и Nd:YAP при их интенсивной накачке. Экспериментально исследована люминесценция в кристаллах Nd:YAG и Nd:YAP в видимом диапазоне длин волн (от 380 нм до 650 нм) при накачке диодными лазерами (808 нм), а также 2-ой (532 нм), 3-ей (354,7 нм) или 4-ой (266 нм) гармониками импульсного NdrYAG лазера. Выявлены механизмы заселения высоколежащего квазиметастабильного уровня F(2)5/2. Наиболее эффективное заселение этого уровня достигается при комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением диодного лазера и 4-ой гармоники. При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением 4-ой гармоники и диодного лазера было отмечено сильное (на порядок величины и более) увеличение сигнала люминесценции с высокоэнергетического уровня F(2)5/2 (эффективная люминесценция в фиолетово-голубом диапазоне спектра). Выяснено, что механизм заселения обусловлен двухступенчатым возбуждением: диодная накачка приводит к заселению верхнего метастабильного уровня рабочего перехода 4F3/2 (со временем жизни -250 мкс), кванты 4-ой гармоники обеспечивают "поглощение из возбуждённого состояния" путём хорошо разрешенного межконфигурационного перехода 4f-5d с последующей безызлучательной релаксацией на уровень F(2)5/2 (со временем жизни ~3 мкс).

В результате проведённых исследований, помимо информации о механизмах заселения энергетических уровней, продемонстрирована принципиальная возможность использования эффекта "поглощения из возбуждённого состояния" для получения эффективной люминесценции в коротковолновом диапазоне длин волн (390-450 нм). При использовании комбинированной накачки не исключена возможность получения генерации в фиолетово-голубом диапазоне спектра.

В третьей главе представлены результаты интерферометрических исследований динамических изменений показателя преломления (ИПП) кристалла Nd.YAG, обусловленных как заселением верхнего метастабильного уровня рабочего перехода 4F3/2, так и высокоэнергетического уровня F(2 )5/2. Наличие информации о механизме заселения высокоэнергетических уровней ионов Nd3+ (Глава 2) позволило исследовать вклад этих уровней в ИПП лазерного кристалла при их селективном возбуждении.

Накачка лазерного кристалла Nd:YAG осуществлялась импульсной диодной матрицей с длиной волны излучения 808 нм с импульсной мощностью до 300 Вт (длительность импульса 200-300 мкс), а также излучением 4-ой гармоникой импульсного Nd:YAG лазера на длине волны 266 нм (длительность импульса ~ 10 не). При интенсивной диодной накачке в кристалле Nd:YAG наблюдались сильные ИНН (со временем релаксации ~ 250 мкс), связанные с различием поляризуемости основного состояния уровня 419/2 ионов Nd3+ и верхнего уровня рабочего перехода 4F3/2, величина же этих "электронных" ИНН оказалась сравнима с тепловыми изменениями. При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG импульсами диодного лазера и 4-ой гармоникой Nd:YAG лазера наряду с интенсивным тепловыделением происходило дополнительное возрастание "электронных" ИПП (со временем релаксации ~ 3 мкс), связанных с заселением л высокоэнергетического уровня F(2)5/2, причём такие изменения превосходили по величине полные изменения показателя преломления при одной диодной накачке. Результаты показали, что при рассмотрении лазерных систем следует принимать во внимание существенное спектральное отличие между широкополосной ламповой и узкополосной диодной накачками, приводящее к различию в механизмах заселения энергетических уровней ионов активаторов и, как следствие, различной динамике нелинейных изменений показателя преломления.

В этой главе представлены также результаты аналитической оценки поляризуемости метастабильного уровня 4F3/2 на частоте рабочего лазерного перехода 1064,2 нм, расчитаны вклады в поляризуемость излучательных и поглощательных переходов внутри одной электронной 4f оболочки, а также межконфигурационных 4f-5d переходов. Вклад далеких межконфигурационных 4f-5d переходов в поляризуемость уровня 4F3/2 на длине волны 1064,2 нм оказался практически на порядок превосходящим вклад от близких квазирезонансных переходов внутри 4f оболочки. Показано, что "электронные" ИПП по величине соизмеримы с тепловыми и могут существенно влиять на величину линз в кристаллах Nd:YAG и аберраций световых пучков в этих кристаллах в условиях интенсивной диодной накачки.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований возможности получения генерации в самоорганизующихся лазерах на кристаллах Nd:YAG и Nd:YVC>4 с диодной накачкой и резонатором на динамических решётках показателя преломления, обусловленных решётками населённости, формируемыми в активной среде самими волнами генерации. Достигнута и изучена генерация в схеме импульсного Nd:YAG лазера с интенсивной диодной накачкой. Кристалл Nd.YAG накачивался импульсной диодной матрицей, излучающей на длине волны 808 нм с импульсной мощностью до 300 Вт (длительность импульса 300 мкс, частота повторения 10-500 Гц). Выходная генерация представляла собой последовательность импульсов (с периодом повторения несколько микросекунд и длительностью несколько сотен наносекунд), число которых увеличивалось при увеличении мощности накачки. Было достигнуто хорошее качество пучка генерации (близкое к дифракционному пределу) при высокой эффективности преобразования оптической энергии накачки (более чем 15%). С помощью интерферометра Фабри-Перо и спектроанализатора ДФС-12 исследовался спектр продольных мод генерации; при этом была обнаружена преимущественно одномодовая генерация вблизи порога самовозбуждения схемы и многомодовая генерация при значительном превышении порога.

В эксперименте с кристаллом Nd:YV04, имеющим гораздо большее (по сравнению с Nd:YAG) сечение резонансного усиливающего перехода, была получена линейно поляризованная генерация пучка высокого качества с мощностью 9,5 Вт (с эффективностью ~ 32 %) при накачке непрерывной диодной линейкой (мощностью до 30 Вт). В данной схеме также изучены пространственно-временные и спектральные характеристики. Полученные осциллограммы выявили наличие двух характерных периодов: медленные осцилляции с периодом 400-600 мкс, зависящим от мощности накачки и длины схемы (релаксационные колебания), и быстрые осцилляции с периодом 3-5 не в зависимости от длины схемы, соответствующим времени полного обхода резонатора. На пороге генерации наблюдалась многомодовая структура продольного спектра с интервалом между модами, соответствующим длине прохода резонатора. С увеличением выходной мощности число продольных мод уменьшалось. Как и в схеме на кристалле Nd:YAG, пучок генерации имел малую расходимость (близкую к дифракционному пределу) и высокую стабильность направления распространения и выходной мощности.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При интенсивной накачке лазерных кристаллов, активированных ионами Nd3+, происходит заселение высокоэнергетических уровней (F(2)5/2, D3/2 и Р3/2), если спектр накачки содержит компоненты, соответствующие наведённому поглощению (за счёт межконфигурационных 4f-5d переходов с метастабильного уровня 4F3/2). При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением диодного лазера на длине волны 808 нм и лазерным пучком на длине волны 266 нм реализуется эффективное заселение квазиметастабильного высоколежащего уровня 2F(2)5/2, которое сопровождается интенсивной люминесценцией в фиолетово-голубом диапазоне спектра.

2. В лазерном кристалле Nd:YAG при интенсивной диодно-лазерной накачке возникают значительные по величине (соизмеримые с тепловыми) "электронные" изменения показателя преломления, обусловленные различием поляризуемости возбуждённых и невозбуждённых ионов активатора. В кристалле Nd:YAG электронная компонента изменений показателя преломления достигает величины 10"5 при импульсной диодной накачке и значительно возрастает при дополнительной накачке УФ излучением (на длинах волн 280-320 нм, 240-280 нм и других), обеспечивающей заселение высоколежащего л квазиметастабильного уровня F(2)5/2. Электронные изменения показателя преломления играют важную роль в динамике лазеров и нелинейно-оптических эффектах в лазерных кристаллах и накладывают серьёзные ограничения на создание безаберрационных лазерных систем с высокой мощностью накачки.

3. Экспериментально доказана возможность построения диоднонакачиваемых твердотельных лазеров со взаимным динамическим резонатором, замыкаемым решётками показателя преломления и коэффициента усиления, которые сопровождают решётки населённости и возбуждаются в активной среде интерференционным полем самих пучков генерации.

4. Лазеры нового класса на кристаллах Nd:YAG и Nd:YV04 с накачкой диодными линейками (или матрицами) и динамическим голографическим резонатором способны генерировать излучение в импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Резонаторы на динамических решётках населённости обладают адаптивными свойствами к фазовым искажениям, наводимым в активной среде интенсивной накачкой, и могут быть использованы для создания мощных эффективных диодно-накачиваемых твердотельных лазеров с высоким качеством пучка.

Работа была выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных и региональных конференциях: Advanced High-Power Lasers and Applications, Osaka, Japan, 1999; SPIE's Symposium on High-Power Lasers and Applications, San Jose, CA, 2000; Conference on Lasers and Electro-Optics, San Francisco, California, 2000; The 15th International conference on laser and Electro-optics in Europe, Munich, Germany, 2001; International conference ICONO'Ol, Minsk, 2001; Second International conference for Young Scientists OPTICS'2001, S. Petersburg, 2001; Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT-2002, Moscow, Russia, 2002; Advanced Solid-State Photonics Topical Meeting, San Antonio, USA, 2003; CLEO'2003, Baltimore, U.S., 2003; CLEO'EUROPE 2003, Munich, Germany, 2003; XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2003;

Ist International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers CAOL'2003, Alushta, Crimea, Ukraine, 2003; 3-rd Russian-French Laser Symposium "Laser Physics, Applications", and Technologies," Moscow, Russia, 2003; CLEO'2004, San Francisco, USA, 2004; Conference on "Photonics/Europe '2004", Strasbourg, France, 2004; Ежегодная конференция no радиофизике, Нижний Новгород, май 1999-2003 г.; 7-я и 8-я Нижегородская сессия молодых ученых, апрель 2002, 2003 г.; XI Всероссийская школа "Нелинейные волны-2002,\ Н.Новгород, 2002; XII Научная Школа "Нелинейные волны-2004", Н.Новгород, 2004; а также на семинарах кафедры электродинамики ННГУ и Института прикладной физики РАН.

По результатам, представленным в отдельных главах, опубликованы следующие работы: Глава 2 - работы [48-54]; Глава 3 - работы [55-62]; Глава 4 - работы [63-75].

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Еремейкин, Олег Николаевич

Заключение

В заключение приведу основные результаты, полученные в диссертации:

1. Исследования механизмов заселения высоколежащих энергетических уровней (2F(2)5/2, 4D3/2 и 2Р3/2) кристаллов Nd:YAG и Nd:YAP при накачке лазерными диодами (808 нм) и (532 нм), 3-ей (354,7 нм) или 4-ой (266 нм) гармониками импульсного Nd:YAG лазера показали, что эффективное заселение наиболее высокого уровня 2F(2)5/2 достигается при комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением диодного лазера и 4-ой гармоники. Выяснено, что механизм заселения обусловлен двухступенчатым возбуждением: диодная накачка приводит к заселению верхнего метастабильного уровня рабочего перехода 4F3/2, кванты 4-ой гармоники обеспечивают "поглощение из возбуждённого состояния" путём хорошо разрешённого межконфигурационного перехода 4f-5d с последующей безызлучательной релаксацией на уровень 2F(2)5/2.

2. При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG излучением диодного лазера на длине волны 808 нм и пучком излучения на длине 266 нм получен интенсивный сигнал люминесценции с высокоэнергетического уровня F(2)5/2 в фиолетово-голубом диапазоне спектра (380-450 нм). Этот результат представляется потенциально-интересным для получения генерации в коротковолновом диапазоне длин волн.

3. С помощью высокочувствительного поляризационного интерферометра Жамена-Лебедева проведены исследования изменения показателя преломления (ИПП) в кристалле Nd:YAG при интенсивной накачке диодным лазером (на длине волны 808 нм), а также в комбинации с импульсами 4-ой гармоники Nd:YAG лазера на длине волны 266 нм). Установлено, что при диодной накачке кристалла Nd:YAG существуют сильные (сравнимые с тепловыми) "электронные" ИПП, связанные с различием поляризуемости основного состояния ионов Nd3+ (уровня 419/2) и верхнего уровня рабочего перехода 4F3/2. При комбинированной накачке кристалла Nd:YAG импульсами диодного лазера и 4-ой гармоникой Nd:YAG лазера (на длине волны 266 нм) происходит дополнительное возрастание "электронных" ИПП, связанных с заселением высокоэнергетического уровня F(2)5/2.

4. Проведены аналитические оценки поляризуемости уровня 4F3/2 на длине волны 1064,2 нм рабочего перехода. Показано, что вклад далеких межконфигурационных 4f-5d переходов в поляризуемость уровня 4F3/2 практически на порядок превосходит вклад от близких квазирезонансных переходов внутри 4f оболочки.

5. Экспериментально показано, что в системе, содержащей твердотельный усилитель с диодной накачкой и набор зеркал, обеспечивающий пересечение световых пучков в активной среде, реализуется лазерная генерация. Механизм возникновения генерации объясняется тем, что интерференционное поле пересекающихся световых пучков индуцирует динамические решётки населённости, которые сопровождаются решётками показателя преломления. Эти динамические голограммы обеспечивают (необходимую для возникновения генерации) положительную обратную связь за счёт нелинейной перекачки энергии из сильной выходной волны в слабую волну, распространяющуюся вовнутрь резонатора.

6. Получена генерация в схеме NdiYAG лазера с импульсной диодной накачкой (на длине 808 нм) и резонатором на динамических голографических зеркалах, формируемыми в кристаллах самими волнами генерации. Пучок генерации имел хорошее качество, близкое к дифракционному пределу; эффективность преобразования оптической энергии накачки в энергию импульса генерации достигала более чем 15% (энергия в световом импульсе достигала 10 мДж).

7. Реализована генерация в схеме на кристалле Nd:YV04 с непрерывной диодной накачкой и взаимным резонатором на динамических решётках населённости. Получена генерация пучка высокого качества мощностью 9,5 Вт (при эффективности использования накачки ~ 32 %).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Еремейкин, Олег Николаевич, 2004 год

1. Koechner W. Solid-State Laser Engineering / 5th Edn., Springer Ser. Opt. Sci. Springer. Heidelberg, Berlin. 1999. V.l. P.406.

2. Roessler D.M. and Coady M.G. Laser systems in the AUTOMOTIVE INDUSTR //Optics and Photonics News. 1996. No 7. P. 17.

3. Guy S., Bonner C.L., Shepherd D.P., Hanna D.C., et al. High-inversion densities in Nd:YAG: Upconvertion and bleaching //IEEE J. of Quant. Electronics. 1998. V. 34. P.900.

4. Fluck R., Hermann M.R., Hackel L.A. Energetic and thermal performance of high-gain diode-side-pumped Nd:YAG rods //Appl. Phys. B. 2000. V.70. P.491.

5. Бондаренко Н.Г., Ерёмина И.В., Таланов В.И. Уширение спектра при самофокусировке света в стёклах // Письма в ЖЭТФ. 1970. N.12. С.125.

6. Alphano R.R., Shapiro S.L. Observation of self-phase modulation and small-scale filaments in crystal and glasses // Phys. Rev. Lett. 1970. V.24. P.592.

7. Жерихин A.H., Матвеец Ю.А., Чекалин С.В. Ограничение яркости вследствие самофокусировки при усилении ультракороткого импульса в неодимовом стекле и иттрий-алюминиевом гранате // Квантовая Электроника. 1976. Т.З. С.1585.

8. Hellwarth R., Cherlow J., Yang T.-T. Origin and frequency dependence of nonlinear optical susceptibilities in glasses // Phys. Rev.B. 1975. V.ll. P.964.

9. Баранова Н.Б., Быковский H.E., Сенатский Ю.В., Чекалин С.В. Нелинейные процессы в оптической среде мощных неодимовых лазеров//Труды ФИАН. 1978. Т.103. С.85.

10. Мак А.А., Любимов В.В., Серебряков В.А., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Твёрдотельные лазеры с высокой яркостью излучения // Изв. АН Сер. Физическая. 1982. Т.42. С.1858.

11. Бломберген Н. Нелинейная оптика. М.: Мир, 1966.

12. Луговой В.Н. Введение в теорию вынужденного комбинационного рассеяния. М.: Наука, 1968.

13. Старунов B.C., Фабелинский И.Л. Вынужденное рассеяние Манделыитама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света // УФН. 1969. Т.98. С.441.

14. Бутылкин B.C., Каплан А.Е., Хронопуло Ю.Г., Якубович Е.И. Резонансные взаимодействия света с веществом. М.: Наука, 1977. С.351.

15. Апанасевич П.А. Основы теории взаимодействия света с веществом. -М.: Наука и техника, 1977. С.496.

16. Riedel Е.Р., Baldwin G.D. Theory of dynamic optical distortion in isotropic laser materials // J.Appl.Phys. 1967. V.38. P.2720

17. Мезенов A.B., Соме Л.Н., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986. С.32.

18. Баранова Н.Б., Быковский Н.Е., Сенатский Ю.В., Чекалин С.В. Нелинейные процессы в оптической среде мощных неодимовых лазеров // Труды ФИАН. 1978. Т.103. С.85.

19. Антипов О.Л., Кужелев А.С., Лукьянов А.Ю., Зиновьев А.П. Изменения показателя преломления лазерного кристалла Nd:YAG прио jвозбуждении ионов Nd //Квантовая Электроника. 1998. Т.25, №10. С.891.

20. Дубинский М.А., Ливанова Л.Д., Столов А.Л.// Физика твердого тела. 1985. Т. 27. С. 2194.

21. Oven J., Dorain P., Kobayasi T.J. //J. Appl. Phys. 1981. V.52. No.3. P.1216.

22. Antipov O.L., Chausov D.V., Kuzhelev A.S., Vorob'ev V.A., Zinoviev A.P. 250-W Average-power Nd:YAG Laser with Self-Adaptive Cavity Completed by Dynamic Refractive-Index Gratings //IEEE J. Quant. Electronics. 2001. Vol. 37. P.716.

23. Летохов B.C. Авторезонансная обратная связь в лазерах // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т.З. С.413.

24. Лукьянов В.Н., Семёнов А.Т., Шелков Н.В. и др. Лазеры с распределённой обратной связью // Квантовая Электроника. 1975. Т.2. С.2373.

25. Рубинов А.Н., Эффендиев Г.Ш. Лазеры на красителях с распределённой обратной связью // ЖПС. 1975. Т.27. С.634.

26. Wang S. Principals of distributed-feedback and distributed Bragg-reflector lasers // IEEE J. Quant. Electronics. 1974. Vol. 10. P.413.

27. Ярив А. Квантовая электроника /Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1980. С.488.

28. Damzen M.J., Green R.P.M., Syed K.S. Self-adaptive solid-state oscillator formed by dynamic gain-gratings holograms // Opt. Lett. 1995. V.20. P. 1704.

29. Lien J.F., Brown W.P. Optical resonators with phase-conjugate mirrors // Opt. Lett. 1980. V.5.P.61.

30. Бельдюгин И.М., Зельдович Б.Я., Золотарёв М.В., Шкунов В.В. Лазеры с обращающими волновой фронт зеркалами // Квантовая Электроника. 1985. Т. 12. С.2394.

31. Бельдюгин И.М., Беренберг В.А., Васильев А.Е., Мочалов И.В., Петникова В.М., Петровский Г.Т., Харченко М.А., Шувалов В.В.

32. Твёрдотельные лазеры с самонакачивающимися ОВФ-зеркалами в активной среде // Квантовая Электроника. 1989. Т. 16. С.1142.

33. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985. С.247.

34. Беспалов В.И., Пасманик Г.А. Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы. -М.: Наука, 1986. С. 134.

35. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках.-М.: Наука, 1990. С.271.

36. Green R.P.M., Udaiyan D., Crofts G.F., Kim D.H. and Damzen M.J. Holographic laser oscillator which adaptively corrects for polarization and phase distirtions // Phys. Rev. Let. 1996. V.77. P.3533.

37. Minassian A., Crofts G.J., Damzen M.J. Self-starting Ti:sapphire holographic laser oscillator // Opt. Letters. 1997. V.22. P.697.

38. Thompson B.A., Minassian A., and Damzen M.J. Operation of a 33-W, continuous-wave, self-adaptive, solid-state laser oscillator// J. Opt. Soc. Am. B. 2003. V.20. P.857.

39. Sillard P., Brignon A., Huignard J.-P. Gain-grating analysis of a self-starting self-pumped phase-conjugate Nd:YAG loop resonator // IEEE J. Quant. Electronics. 1998. V.34. P.465.

40. Sillard P., Brignon A., Huignard J.-P. Nd:YAG loop resonator with a Cr4+:YAG self-pumped phase-conjugate mirror // IEEE J. Quant. Electronics. 1997. V.33. P.483.

41. McMichael I., Saxena R., Chang Т., Shu Q., Rand S., Chen J., and Tuller. High gain nondegenerate two-wave mixing in Cr:YaL03 // Opt. Letters. 1994. V.19. P.1511.

42. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Zinov'ev A.P., Vorob'ev V.A. Millisecond pulse repetitive Nd:YAG-laser with self-adaptive cavity formed by population gratings // Opt. Comm. 1998. V. 152. P.313.126

43. Antipov O.L., Belyaev S.I., Kuzhelev A.S., Zinov'ev A.P. Nd:YAG laser with cavity formed by population inversion gratings // SPIE proceeding /Edited by P. Galarneau and A.V. Kudryashov. 1998 V.3267. P.22.

44. Зиновьев А.П., Еремейкин O.H., Кужелев A.C., Антипов O.JI. Лазер с нелинейным жидкокристаллическим зеркалом// Труды третьей научной конференции по радиофизике. 7 мая 1999 г. /Ред. А.В.Якимов.- Н.Новгород: ННГУ, 1999. С.37.

45. Антипов О.Л., Еремейкин О.Н., Савикин А.П. Спектроскопические исследования заселения высокоэнергетических уровней Nd3+-содержащих лазерных кристаллов при интенсивной накачке// Квантовая электроника. 2002. Т.32, №.9. С.793.

46. Антипов О.Л., Еремейкин О.Н., Савикин А.П. Интерферометрические исследования электронных изменений показателя преломления лазерного кристалла Nd:YAG при интенсивной накачке// Квантовая электроника. 2003. Т.ЗЗ, №10. С.861.

47. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Savikin А.Р., Vorob'ev V.A., Bredikhin D.V., Kuznetsov M.S. Electronic Changes of Refractive Index in Intensively Pumped Nd:YAG Laser Crystals// IEEE Journal of Quant. Electronics. 2003. V. 39, No. 7. P.910.

48. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Savikin A.P., Vorob'ev V.A., Bredikhin D.V., Kuznetsov M.S. Interferometric study of refractive index changes inо i

49. Nd:YAG laser crystals under intensive pumping due to Nd -ion excitation// Advanced Solid-State Photonics Topical Meeting: Technical Digest. San Antonio, USA, 2003. Pp.M13. P.7.

50. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Savikin A.P., Ivakin E.V., Sukhadolau A.V. Refractive index changes in Nd:YAG crystals under intensive diode-laser pumping // XI Conference on Laser Optics: Technical Digest. St. Petersburg, Russia, 2003. Pp.TuRl. P.36.

51. Eremeykin O.N., Ievlev A.V., Shmykov A.V., Savikin A.P., Antipov O.L. A diode-pumped single-Nd:YAG-slab laser with reciprocal dynamic holographic cavity// Opt. Express. 2004. V. 12, No.18. P. 4313.

52. Eremeykin O.N., Antipov O.L., Minassian A., Damzen M.J. Efficient continuous-wave generation in a self-organizing diode-pumped Nd:YV04 laser with a reciprocal dynamic holographic cavity// Opt. Letters. 2004. V.29, No.20. P.2390.

53. Antipov O.L., Zinoviev A. P., Yudakin G. E., Eremeykin O. N., Savikin A. P. A novel solution of a high-average power Nd:YAG lasers on dynamic holographic gratings// Conference on Lasers and Electro-Optics

54. CLEO'EUROPE 2003): Technical Digest. Munich, Germany, 2003. Pp.CF6-3 FRI.

55. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Savikin A.P. A diode-pumped Nd:YAG laser with reciprocal cavity formed by dynamic population gratings// XI Conference on Laser Optics: Technical Digest. St. Petersburg, Russia, 2003. P.23.

56. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Savikin A.P. Self-Starting Diode-Pumped Nd:YAG Laser on Dynamic Gratings// 3-rd Russian-French Laser Symposium "Laser Physics, Applications, and Technologies": Technical Digest. Moscow, Russia, 2003.

57. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Minassian A., and Damzen M.J. An efficient cw diode-pumped Nd:YV04 laser with reciprocal self-organizing dynamic holographic cavity// CLEO'2004: Technical Digest. San Francisco, USA, 2004. Pp.CML2.

58. Eremeykin O.N., Ievlev A.V., Shmykov A.V., Savikin A.P., Antipov O.L. A diode-pumped single-Nd:YAG-slab laser with reciprocal dynamic holographic cavity// CLEO'2004: Technical Digest. San Francisco, USA,2004. Pp. CThT67.

59. Antipov O.L., Eremeykin O.N., Zinoviev A.P. Spatio-temporal mode analysis in self-organizing diode-pumped solid-state lasers on dynamic gratings// Conference on "Photonics/Europe'2004": Technical Digest. Strasbourg, France, 2004. Pp. 5460-27.

60. Еремейкин О.Н., Антипов O.JI., Савикин А.П. Самостартующий Nd:YAG лазер с диодной накачкой и резонатором на динамических решётках населённости // Тезисы докладов VIII Нижегородской сессии молодых ученых. Н.Новгород: Изд. Гладкова O.B., 2003. С.62.

61. Baldwin G.D. and Riedel Е.Р. Measurements of dynamic optical distortion in Nd-doped glass laser rods // J. Appl. Phys. 1967. V.38. P.2726.

62. Горбань И.С., Конончук Г.JI. Изменения показателя преломления рубина при накачке // ЖПС. 1968. Т.8. С.864.

63. Бубнов М.М., Грудинин А.Б., Дианов Е.М., Прохоров A.M. Деформация резонатора лазера на стекле с неодимом, обусловленная измнением поляризуемости возбуждённых ионов Nd // Квантовая Электроника. 1978. Т.8. С.275.

64. Powell R.C., Payne S.A., Chase L.L., and Wilke G.D. Four-wave mixing of Nd3+-doped crystals and glasses // Phys. Rev. В . 1990. V.41. P.8593.

65. Pilla V., Impinnisi P.R., and Catunda T. Measurement of saturation intensities in ion doped solids by transient nonlinear refraction // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. P.817.

66. Powell R.P. and Payne S. Index-of-refraction change in optically pumped solid-state laser material // Opt. Letters. 1990. V.15. P.1233.

67. Hamilton D.S., Heiman D., Feinberg J., and Hellwarth R.W.// Opt. Letters. 1979. V.4. P.124.

68. Catunda T. and Castro J.C. Phase conjugation in GdA103:Cr3+ and ruby // Opt. Comm. 1987. V.63. P. 185.

69. Борн M., Вольф Э. Основы оптики /Пер. с англ. М.: Наука, 1973. С.97.

70. Powell R.C. Physics of Solid-State Laser Materials / Springer. New York-Berlin-Heidelberg. 1998. P.109.

71. Kramer M.A., and Boyd R.W. Three photon absorption in Nd-doped yttrium aluminum garnet // Phys. Rev. B. 1981. V.23. P. 986.

72. Quarles G.J., Venikouas G.E., and Powell R.C. Sequential two-photonл Iexcitation processes of Nd ions in solids // Phys. Rev. B. 1985. V.31. P.6935.

73. Dieke G.H., and Crosswhite H.M. The spectra of the doubly and triply ionized rare earths // Appl. Opt. 1963. V. 2. P.675.

74. Звелто О. Физика лазеров./Пер. с англ. М.: Мир, 1990, С.337.

75. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Chausov D.V. Nondegenerate four-wave mixing measurement of resonantly induced refractive index grating in Nd:YAG amplifier // Opt. Letters. 1998. V.23. P.448.

76. Fan T.Y., Byer R.L. Two-step excitation and blue fluorescence under continuous-wave pumping in Nd:YLF // J. Opt. Soc. Am. B. 1986. V.3 P.1519.

77. Каминский A.A., Антипенко Б.М. Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров. М.: Наука, 1989.

78. Guyot Y., Manaa Н., Rivoire J.Y. et al. //Phys. Rev. B. 1995. V.51. P.784.

79. Горбань И.С., Гуменюк А.Ф., Дегода В.Я.//Оптика и спектроскопия. 1985. N.58. С.217.

80. Venikouas G.E., Quarles G.J., King J.P., and Powell R.C. //Phys. Rev. B. 1984. V.30. P.2401.

81. Басиев T.T., Дергачев А.Ю., Орловский Ю.В. и др. //Труды ИОФ РАН. 1994. N.46.

82. Багдасаров Х.С., Володин И.С., Коломийцев А.И., и др. //Квантовая электроника. 1982. Т.9. С. 1158.

83. Konstantinov N.Yu., Karaseva L.G., Gromov V.V., et al. Interconfiguration transitions of 4f -4f 5d' of the Nd3+ ion in YAG single crystal //Phys. St. Sol. (a). 1984. V.83. P.153.

84. Дубинский A.M., Столов A.Jl. //Физика твердого тела. 1985. Т.27. С.2194.

85. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Chausov D.V., and Zinov'ev A.P.// J. Opt. Soc. Amer. B. 1999. V.16. P.1072.

86. Riedel E.P., Baldwin G.D. Measurements of dynamic optical distortions in Nd3+ -doped glass laser rods// J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P.2720.

87. Francon M., Mallick S. Polarization interferometers: application in microscopy and macroscopy/ Academic Press, N.Y. 1971.

88. Kiick S, Fornasiero L., Mix E., Huber G. //Appl. Phys. B. 1998. V.67. P.151.

89. Каминский A.A. Лазерные кристаллы. M.: Наука, 1975. С.198.

90. Axe J.D. //Phys. Rev. A. 1965. V. 136. P. 42.

91. Optics and optical instruments—Test methods for laser beam parameters: Beam width, divergence angle and beam propagation factor// ISO/DIS 11 146:1995, 1995.

92. Bermudez J.C., Pinto-Robledo V.J., Kir'yanov A.V., Damzen M.J. The thermo-lensing effect in a grazing incidence, diode-side-pumped Nd:YV04 laser// Optics Communications. 2002. V.210. P.75.