Разработка минилазеров для исследования записи информации в светочувствительных материалах нелинейно-оптическими методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат наук Сергеев Андрей Николаевич

• Сергеев Андрей Николаевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Сергеев Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОЧИПОВЫХ И МИНИЛАЗЕРОВ

1.1. Особенности генерации минилазеров и микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности

1.2. Сокращение длительности импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерного импульса

1.3. Применение лазерных комплексов на основе минилазеров для оптической записи информации

ГЛАВА 2. Тепловые процессы в активной среде твердотельного лазера с торцевой диодной накачкой

2.1. Расчет тепловых процессов в активной среде с дополнительными торцевыми теплоотводами

2.2. Экспериментальное исследование особенностей активных элементов с дополнительными торцевыми теплоотводами

ГЛАВА 3. Особенности генерации и управление пространственно-временной структурой излучения микрочип-лазеров

3.1. Особенности пространственно-временной структуры генерации микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности

3.2. Управление пространственно-временной структурой минилазера с помощью активной внутрирезонаторной оптики

3.3. Эффективность обратного ВКР-преобразования и временной компрессии субнано- и пикосекундных импульсов

ГЛАВА 4. Двухфотонная запись стабильных фотолюминесцентных центров в материалах на основе хромонов

4.1. Определение порогов двухфотонной записи фотолюминесцентных

центров и порога разрушения материала

4.2. Некоторые спектральные свойства записанных люминесцентных меток

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка минилазеров для исследования записи информации в светочувствительных материалах нелинейно-оптическими методами»

Актуальность темы

Лазерные импульсы субнано- и пикосекундного диапазона широко применяются в научных исследованиях, медицине, в промышленности для микрообработки материалов. Для разработки мобильных устройств получили распространение компактные твердотельные минилазеры с диодной накачкой и, в частности, микрочиповые лазеры. Микрочиповый лазер с пассивной модуляцией добротности представляет собой, как правило, композитную сборку, состоящую из активной лазерной среды, пассивного затвора, а в некоторых случаях, дополнительных прозрачных теплоотводов и нелинейных преобразователей частоты. Зеркала резонатора, как правило, нанесены на торцы композитного элемента. Элементы микрочип-лазера диффузно сварены между собой или механически сопряжены через иммерсионные слои. При необходимости использовать отдельные конструктивно оформленные компоненты (например, поляризаторы или активные затворы), внутрирезонаторные элементы размещаются в жестком корпусе с минимальными воздушными зазорами. В этом случае излучатель можно отнести к классу минилазеров. Длина резонатора минимизируется с целью получения насколько возможно более коротких импульсов в приближенном к одночастотному режиму генерации. Типичная длина резонатора лежит в пределах 2-20 мм.

В компактных твердотельных лазерах с торцевой накачкой допустимый уровень вводимой в активный элемент мощности накачки определяется происходящими в нем тепловыми процессами. В этом плане ряд существенных преимуществ можно получить при использовании дополнительных торцевых теплоотводов, диффузно сопряженных с активным элементом. Представляет интерес исследование тепловых процессов, определение термонапряжений и перегрева, а также сравнение

активных элементов с различными дополнительными торцевыми теплоотводами между собой и с обычными активными элементами.

Для многих прикладных целей, а также для научных исследований необходима определенная форма импульса, поэтому представляет интерес исследование особенностей пространственно-временных характеристик импульсов генерации микрочип-лазеров, а также возможностей по управлению этими характеристиками. В настоящее время для изменения формы импульса используются внешние устройства, таки как: пространственные модуляторы на жидких кристаллах, нелинейные кристаллы, волоконные усилители с насыщением. Все эти устройства характеризуются относительно низким КПД преобразования и могут быть использованы, вследствие ограниченной лучевой прочности, только для получения импульсов с малой энергией. Дополнительное сокращение длительности импульсов генерируемых микрочиповыми лазерами возможно с их преобразованием в различных внешних нелинейно-оптических устройствах. В частности, при использовании эффекта обратного вынужденного комбинационного рассеяния помимо дискретного преобразования частоты излучения импульса лазера накачки, происходит временная компрессия импульса на комбинационной частоте с одновременным повышением пиковой мощности преобразованного импульса.

Микрочип-лазеры и минилазеры позволяют относительно легко

получить одномодовый и одночастотный режим генерации лазера, что, в

свою очередь, позволяет обеспечить высокую степень стабильности пиковой

мощности. Лазеры с достаточно большими значениями пиковой мощности

импульса в сочетании с ее высокой стабильностью представляют интерес для

исследований, связанных с определением пороговых значений

интенсивности в различных нелинейных процессах, в частности, для

двухфотонного поглощения. Одним из перспективных направлений

исследований в области оптической записи информации является разработка

многослойных люминесцентных дисков, и в рамках этих исследований

5

представляет интерес определение пороговых значений интенсивности, необходимых для записи люминесцентных меток в светочувствительном материале.

Цели диссертационной работы

1. Улучшение и расширение диапазона выходных характеристик микрочип-лазеров и минилазеров (частота повторения, энергия, временная структура и спектральные характеристики импульсов генерации) и их апробация в микротехнологиях.

2. Исследование особенностей многофотонной записи информации с применением излучения минилазеров в полимерных пленках с импрегнированными молекулами хромонов импульсами излучения различной длительности и спектрального диапазона.

Основные задачи диссертационной работы

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести компьютерное моделирование и экспериментальные исследования влияния неоднородных тепловых процессов, возникающих для лазеров с торцевой накачкой и активными элементами с дополнительными торцевыми теплоотводами, на процессы ограничения предельных энергетических характеристик минилазеров.

2. Исследовать особенности генерации микрочип-лазеров с продольной накачкой и пассивной модуляцией добротности и возможностью управления пространственно-временными характеристиками импульсов генерации таких лазеров с помощью активного выходного зеркала.

3. Выполнить оптимизацию параметров эффективности преобразования и временной компрессии при обратном ВКР-преобразовании излучения субнаносекундного килогерцового микрочипового лазера c продольной импульсной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности.

4. Исследовать процессы двухфотонной записи люминесцентных центров в органических молекулах класса хромонов для различных спектральных и временных параметров излучения записывающего лазера.

5. Экспериментально определить пороги двухфотонной записи люминесцентных центров в молекулах хромонов и пороги разрушения материала-матрицы, в которую импрегнированы светочувствительные молекулы хромонов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Проведены теоретическое и экспериментальные сравнительные исследования лазеров с торцевой накачкой и активными элементами на

3+ 3+

основе № :YAG и № ^УО с дополнительными прозрачными торцевыми теплоотводами (ДПТТ) и элементы с дополнительными градиентными торцевыми теплоотводами (ДГТТ).

2. Исследованы особенности генерации микрочип лазера с продольной накачкой и пассивной модуляцией добротности в режиме генерации пачки субнаносекундных субимпульсов с интервалом между субимпульсами, сравнимым с их длительностью.

3. Изучены возможности управления длительностью и временной формой импульса, как в режиме генерации одиночного импульса, так и в режиме генерации пачки субимпульсов с помощью активного выходного зеркала на основе интерферометра Фабри-Перо с управляемым пространственно-распределенным коэффициентом отражения.

4. Экспериментально получено обратное ВКР-преобразование в кристалле нитрата бария из второй гармоники (X = 532 нм) субнаносекундных импульсов генерации микрочип-лазера Nd:YAG-Cr:YAG с энергией в импульсе на уровне нескольких десятков мкДж при частоте повторения импульсов 1 кГц. Максимально достигнутая энергетическая эффективность обратного ВКР-преобразования составила более 50% при временной компрессии импульса в 6.5 раз.

5. Экспериментально подтверждена возможность двухфотонной записи люминесцентных меток в органических молекулах из класса хромонов, импрегнированных в полимерную матрицу полиметилметакрилата (ПММА).

6. Определены значения пороговой плотности энергии необходимой для двухфотонной записи люминесцентных меток в пленке из полиметил-метакрилата, содержащей молекулы хромонов, для световых импульсов различной длительности и спектрального диапазона.

7. Определен предпочтительный диапазон длительностей импульса лазерного источника для записи люминесцентных меток в материале на основе хромонов.

8. Экспериментально обнаружено, что молекулы хромонов в люминесцирующей форме являются чувствительными к воздействию излучения в синей и фиолетовой области спектра и могут быть преобразованы в нелюминесцирующую форму.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение дополнительных градиентных торцевых теплоотводов (ДГТТ) в активных элементах Nd:YAG и Nd:YVO, предназначенных для лазеров с продольной диодной накачкой, позволяет повысить максимальный уровень вводимой в элемент накачки на 20-30% при сохранении параметра качества пучка на уровне M = 1.2-1.4.

2. Использование активного выходного зеркала на основе сферического интерферометра Фабри-Перо в минилазерах с продольной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности резонатора позволяет изменять длительность одиночного моноимпульса в 2 раза, а также генерировать пачки из ограниченного числа субнаносекундных импульсов с интервалом времени между ними, регулируемым от 25-30 наносекунд до наложения импульсов.

3. Для исследованных образцов светочувствительных полимерных пленок, содержащих соединения класса хромонов, экспериментально доказана возможность двухфотонной записи стабильных флуоресцентных

меток без светоиндуцированного нарушения структуры матрицы или распада внедренных соединений при использовании импульсов излучения видимого

13 9

диапазона с длительностью в пределах 10 -7-10" с.

4. Пороговые значения интенсивности излучения импульсов наносекундной длительности, необходимые для двухфотонной записи флуоресцентных меток с одинаковым контрастом относительно фона, существенно ниже, чем соответствующие значения, характерные для фемтосекундных импульсов излучения в результате ступенчатого характера двухфотонного поглощения через промежуточные уровни для наносекундных импульсов.

5. Экспериментально обнаружено, что молекулы хромонов в люминесцирующей форме являются чувствительными к воздействию излучения в синей и фиолетовой области спектра и могут быть преобразованы в нелюминесцирующую форму. Экспозиция, необходимая для снижения сигнала люминесценции в е раз при воздействии излучением

2 3 2

аргонового лазера с длиной волны 488 нм, составляет порядка 10-10 Дж/см .

Практическая значимость диссертационной работы

Разработанный лазерный излучатель на основе микрочипового лазера обеспечивает генерацию коротких одномодовых и одночастотных субнаносекундных импульсов с длительностью порядка сотен пикосекунд, энергией в десятки микроджоулей и пиковой мощностью около ста киловатт. Такой лазер позволяет исследовать процессы двухфотонной записи люминесцентных меток в материалах на основе светочувствительных молекул хромонов, представляющих интерес, прежде всего, для создания многослойных флуоресцентных дисков высокой емкости, предназначенных для архивного хранения информации. Результаты этих исследований позволяют сформировать требования к параметрам полупроводникового лазерного источника, пригодного для использования в серийных устройствах записи информации.

Реализация результатов диссертационной работы

1. Результаты исследования активных элементов с ДГТТ использованы в прототипах лазеров с диодной накачкой, предназначенных для применения в микротехнологиях.

2. В результате исследования двухфотонного метода записи в фотоактивных соединениях хромонов выявлены типы, наиболее пригодные для дальнейших исследований и оптимизации.

Степень достоверности и методы исследования

Достоверность результатов работы обеспечивается подтверждением результатов моделирования экспериментальными данными, а также использованием современных приборов и методов измерения параметров лазерного излучения и исследуемых образцов.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, 2009, Санкт-Петербург, Россия (2009), Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (2010, 2011, 2012, 2013, 2014), International Conference on Advanced Optoelectronics & Lasers (2013), Laser Optics (2014), The XXVth IUPAC Symposium on Photochemistry (2014).

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих статьях в печатных изданиях:

1. Гагарский С.В., Ермолаев В.С., Сергеев А.Н., Пузык М.В., "Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность" Известия высших учебных заведений. Приборостроение., Т. 55, № 7, 2012. с. 80-85.

2. Гагарский С.В., Назаров В.В, Сергеев А.Н., Юревич В.И., "Исследование неодимсодержащих кристаллических активных элементов с дискретным и градиентным изменением концентрации активатора в направлении накачки" Оптический журнал, Vol. 79, No. 6, 2012. pp. 20-30.С.

10

3. Гагарский С.В, Гнатюк П.А., Сергеев А.Н., Храмов В.Ю., "Твердотельные лазеры с диодной накачкой для 3d-маркировки в объеме прозрачных диэлектриков" Известия высших учебных заведений. Приборостроение., Т. 56, № 9, 2013. с. 12-17.

4. Гагарский С.В., Кийко В.В., Кондратьев В.А., Подвязников В.А., Сергеев А.Н., Чевокин В.К., "Управление временными характеристиками излучения nd+3:yag:cr+4-минилазера с использованием активной внутрирезонаторной оптики" Известия высших учебных заведений. Приборостроение., Т. 56, № 9, 2013. с. 18-25.

5. Гагарский С.В., Кийко В.В., Кондратьев В.А., Сергеев А.Н., Храмов В.Ю., Якобсон В.Э., «Компрессия импульсов микрочип-лазера с диодной накачкой при встречном ВКР-преобразовании» Известия высших учебных заведений. Приборостроение., Т. 56, № 9, 2013. с. 31-36.

6. V.V. Kiyko, S.V. Gagarsky, V.I. Kislov, V.A. Kondratyev, E.N. Ofitserov, A.N. Sergeev, International Conference on Advanced Optoelectronics & Lasers (CAOL) // The control of energy, temporal and spatial characteristics a microchip laser with active output mirror. Sudak, Ukraine. 2013. pp. 93-94.

Личный вклад автора

Цели и задачи диссертационной работы сформулированы совместно с научным руководителем. Основные результаты работы получены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Во всех случаях использования результатов других исследований приведены ссылки на соответствующие источники.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 102 страницах, в том числе 3 таблицы, 54 рисунка и список литературы, содержащий 82 наименования.

Краткое содержание работы

В первой главе диссертации представлен литературный обзор, в котором рассмотрены основные свойства микрочиповых лазеров, их конструкция, особенности генерации, сферы применения. Рассмотрен вопрос обратного ВКР-преобразования в твердотельных ВКР-активных средах, в частности, вопрос конкуренции прямого и обратного ВКР и временной компрессии лазерного импульса при обратном ВКР-преобразовании. Также рассмотрены основные направления исследований в области современных методов оптической записи и хранения информации, в том числе, многослойные флуоресцентные оптические диски. Описаны основные свойства материала на основе светочувствительных молекул хромонов, которые представляют интерес для разработки таких дисков.

Вторая глава посвящена исследованию тепловых процессов в активных элементах (АЭ) Nd:YAG и Nd:YVO для лазеров с продольной диодной накачкой. Рассмотрены АЭ с дополнительными прозрачными торцевыми теплоотводами, АЭ с дополнительными градиентными торцевыми теплоотводами, а также обычные АЭ без дополнительных теплоотводов. Проведено сравнение продольных термоиндуцированных напряжений, возникающих в кристалле, а также перегрев кристалла АЭ. Выявлено влияние использования дополнительных торцевых теплоотводов на наводимую в АЭ тепловую линзу и на пространственные характеристики излучения. Показано, что использование неодимсодержащих АЭ с дополнительными градиентными теплоотводами позволяет существенно (на десятки процентов) увеличить диапазон вводимой в АЭ мощности накачки без дополнительных изменений в оптической схеме резонатора и поднять средний уровень выходной мощности излучения лазера при сохранении высокого оптического качества излучения

В третьей главе исследуются особенности генерации микрочипового

лазера с пассивной модуляцией добротности и продольной импульсной

диодной накачкой. Рассматривается зависимость режимов генерации лазера

12

от размера прокаченной области в активном элементе и от поперечного распределения потерь и усиления в резонаторе. Исследуются возможности управления пространственно-временной структурой импульса генерации с помощью активного выходного зеркала на основе интерферометра Фабри-Перо с изменяемым пространственно-распределенным коэффициентом отражения. Исследуется также эффективность преобразования и временная компрессия лазерного импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерных импульсов генерации микрочип-лазера с частотой повторения импульсов 1 кГц при энергии в импульсе порядка десятков микроджоулей. Достигнутая эффективность преобразования составила более 50%, а эффективность временной компрессии импульса ~6.5.

Четвертая глава посвящена исследованию двухфотонной записи люминесцентных меток в материалах на основе молекул хромонов. Для различных спектральных диапазонов и длительностей лазерного импульса определены пороговые значения плотности энергии в импульсе, необходимые для двухфотонной записи стабильных флуоресцентных меток, а также значения плотности энергии, достаточные для разрушения структуры материала либо распада внедренных соединений. Рассмотрены различия механизмов разрушения структуры материала для различных диапазонов длительностей импульса. Исследуются некоторые люминесцентные свойства записанных меток, а также чувствительность к световому воздействию молекул в люминесцирующей форме.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в работе.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОЧИПОВЫХ И МИНИЛАЗЕРОВ

1.1. Особенности генерации минилазеров и микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности

Микрочип-лазеры и минилазеры с диодной накачкой получили широкое распространение в качестве дешевых и компактных лазерных источников, позволяют получать излучение в различных областях спектра [13] и применяются, в частности, в медицине, микрообработке поверхностей металлов, диэлектриков и полупроводниковых материалов и других приложениях.

2со§темоо

Зеркало

НК@1а5т§

НТ@Ритр

ц

А 1-е

Теплоотвод

-

Активная среда

Рисунок 1.1 — Общая схема микрочип-лазера с пассивной модуляцией добротности

Микрочиповый лазер представляет собой композитный элемент из активного элемента и, как правило, пассивного затвора. В некоторых случаях может применяться и активная модуляция добротности [4], дополнительные прозрачные теплоотводы, нелинейные преобразователи частоты и другие элементы. Как правило, в таких лазерах применяется торцевая диодная

накачка активной среды [5-8], что позволяет достичь максимально высокого коэффициента преобразования излучения накачки в лазерное излучение. На полированные торцы такого элемента наносятся диэлектрические покрытия, формирующие глухое и выходное зеркало лазерного резонатора (

Рисунок 1.1) [9-12]. Наиболее распространены элементы с плоскопараллельными торцами, хотя возможно и изготовление элементов со сферическими зеркалами резонатора [10, 12].

Микрочиповые лазеры с пассивной модуляцией добротности, в зависимости от начального пропускания затвора и мощности накачки, позволяют получить различные частоты повторения импульсов. Увеличивая начальное пропускание затвора можно получит частоту вплоть до нескольких мегагерц, однако энергия и пиковая мощность импульса генерации снижается.

Спектр усиления

микрочип-лазера

Ключевой особенностью микрочип-лазеров и минилазеров, определяющей их особенности генерации, является малый аксиальный период резонатора, т.к. геометрическая длина резонатора составляет от долей мм до нескольких см в минилазерах. Расстояние между продольными модами резонатора обратно пропорционально длине резонатора, поэтому при ширине спектра усиления активной среды сравнимой с расстоянием между продольными модами (Рисунок 1.2) в микрочиповых лазерах можно без каких-либо дополнительных мер получить одночастотную генерацию [13-15].

Выходное зеркало Rocglasing HTgPump

Активная среда

Рисунок 1.3 - Схема микрочипового лазера модуляцией добротности с помощью SESAM

Кроме того, благодаря малой длине резонатора, в микрочиповых лазерах с модуляцией добротности существенно сокращается длительность генерируемого импульса. При использовании для модуляции добротности полупроводниковых зеркал с насыщающимся поглощением (SESAM -Semiconductor Saturable Absorber Mirrors Рисунок 1.3) длительность импульса может быть сокращена до десятков пикосекунд [16-18]. Малая длительность импульса, в свою очередь, обеспечивает высокие значения пиковой мощности даже при относительно небольших значениях энергии в импульсе.

I

*

Vi

га к га I S d а о

0 х

ос га X

1 ■

(И

а й) с о с

Время, пс

Время, пс

Рисунок 1.4 - Распределение интенсивности в пространстве и времени для микрочипового лазера с пассивной модуляцией добротности при юр > юg

Как правило, в микрочиповых лазерах и минилазерах используется продольная диодная накачка, поскольку это позволяет эффективно согласовать объем и профиль излучения накачки с объемом и профилем генерирующей моды (обычно ТЕМ00). При этом размер основной моды для микрочипового лазера определяется длиной резонатора и мощностью и диаметром пучка накачки [19]. Если объем прокаченной области в активном элементе существенно больше объема основной моды, то пространственно-временная структура импульсов излучения генерации меняется. При этом формализм описания с помощью поперечных мод для таких импульсов применим лишь условно, а структура импульса довольно чувствительна к профилю усиления в активной среде (Рисунок 1.4) [20].

1.2. Сокращение длительности импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерного импульса

Довольно высокие значения пиковой мощности импульсов генерации микрочиповых лазеров позволяют использовать различные внешние преобразователи для дополнительного сокращения длительности импульса. В частности, эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) помимо дискретного сдвига частоты лазерного излучения может обеспечить также временную компрессию импульса на преобразованной частоте с одновременным повышением пиковой мощности преобразованного импульса.

Для газовых ВКР-активных сред даже при высоких давлениях

21 3

характерна низкая плотность активных частиц (~10 см ), что требует увеличения оптического пути взаимодействия до нескольких метров. Для жидких ВКР-активных сред характерны более высокие значения плотности

22 3

активных частиц (~10 см" ), однако низкая теплопроводность в сочетании с высоким значением dn/dT приводят к появлению паразитных нелинейнооптических эффектов, уменьшающих длину взаимодействия, ухудшающих расходимость и способных привести к оптическому пробою среды. Кристаллические ВКР-активные среды обладают еще более высокой

23 3

концентрацией активных частиц (~10 см ), а также обладают минимальным неоднородным уширением спектра ВКР-активных колебаний, что способствует снижению порога и увеличению эффективности ВКР-преобразования, росту коэффициента усиления. Поэтому для создания малогабаритных ВКР-конверторов со стабильными параметрами и высокой эффективностью преобразования интерес представляют, прежде всего, твердотельные комбинационно-активные среды [21].

Случай стационарного ВКР-преобразования описывается следующим выражением: [22]

^ - интенсивность стоксовой компоненты, ^ - интенсивность лазерной накачки для ВКР-преобразования, 1 - длина взаимодействия излучения накачки с ВКР-активной средой, g - коэффициент ВКР-усиления. Показатель экспоненты gIL1 - инкремент G.

Стационарный режим реализуется при условии, что длительность импульса накачки для ВКР-преобразования много больше времени дефазировки молекулярного колебания Т2. Нестационарный — когда импульс накачки короче времени дефазировки. В случае нестационарной ВКР-конверсии инкремент пропорционален квадратному корню из интенсивности накачки, сечения ВКР-усиления, длине взаимодействия, длительности импульса накачки и спектральной ширины линии спонтанного комбинационного рассеяния, а значение коэффициента ВКР-усиления, в зависимости от параметров конкретной ВКР-активной среды, может быть на порядок меньше, чем для стационарного случая [23].

Для импульсов нано- и субнаносекундной длительности с длиной

волны в области 0.33-1.8 мкм одной из наиболее привлекательных

твердотельных ВКР-активных сред являются кристаллы нитрата бария

(Ва(К03)2). Время дефазировки для кристалла нитрата бария составляет 28 пс,

что обеспечивает стационарный режим ВКР-конверсии для импульсов с

длительностью в сотни пикосекунд и выше. Коэффициент усиления g в

18

стационарном режиме для второй гармоники Nd:YAG лазера (X = 0.53 мкм)

накачки 532 нм соответствует длине волны первой стоксовой компоненты 563 нм. Недостатком кристаллов нитрата бария является гигроскопичность.

Эффект встречного ВКР-преобразования в сфокусированных пучках позволяет осуществлять временную компрессию импульсов с одновременным повышением их пиковой мощности. Основные закономерности этих процессов рассмотрены в работах [26-35]. Коэффициент сокращения длительности импульса может достигать 10-20 раз, а эффективность этого процесса существенно зависит от условий фокусировки и уровня энергии в импульсе накачки. При этом зависимость длительности стоксового импульса от энергии в импульсе накачки является немонотонной и для заданных условий фокусировки существует некоторое оптимальное значение энергии импульса накачки, обеспечивающее наилучшее сжатие импульса. Теоретическая зависимость длительности стоксового импульса в обратном направлении от энергии в импульсе [34, 36]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сергеев Андрей Николаевич, 2014 год

Список литературы

1. David G. Matthews, Richard S. Conroy, Bruce D. Sinclair, "Blue microchip laser fabricated from Nd:YAG and KNbO3," Opt. Lett, Vol. 21, No. 3, 1996. pp. 198-200.

2. Fluck R., Haring R.,Paschotta R., Gini E., Melchior H., Keller U., "Eyesafe pulsed microchip laser using semiconductor saturable absorber mirrors," Appl. Phys. Lett, Vol. 72, No. 25, 1998. pp. 3273-3275.

3. Bhandari R., Tsuji N., Suzuki T., Nishifuji M., Taira T., "Efficient second to ninth harmonic generation using megawatt peak power microchip laser," Opt. Express, Vol. 21, No. 23, 2013. pp. 28849-28855.

4. Zayhowski J.J., C. Dill III, "Coupled-cavity electro-optically Q-switched Nd:YVO4 microchip lasers," Opt. Lett, Vol. 20, No. 7, 1995. pp. 716-718.

5. Koechner W. Solid-State Laser Engineering. Berlin, Heidelberg, NY: Springer-Verlag, 1999. 747 pp.

6. Ifflaender R. Solid-state lasers for materials processing: fundamental relations. Berlin, Heidelberg, NY: Springer-Verlag, 1998. 368 pp.

7. Kalisky Y. The Physics and Engineering of Solid State Lasers. Bellingham, Washington: SPIE, 2009. 203 pp.

8. Zayhowski J.J., C. Dill III, "Diode-pumped passively Q-switched picosecond microchip lasers," Opt. Lett., Vol. 19, No. 18, 1994. pp. 14271429.

9. Molva E., "Microchip lasers and their applications in optical microsystems," Optical Materials, Vol. 11, 1999. pp. 289-299.

10.Zayhowski J.J., "Microchip lasers," Optical Materials, Vol. 11, 1999. pp. 255-267.

11.Zayhowski J.J., "Passively Q-switched Nd:YAG microchip lasers and applications," Journal of Alloys and Compounds, Vol. 303-304, 2000. pp.

393-400.

12.Zayhowski J.J., "Microchip Lasers," The Lincoln Laboratory Journal, Vol. 3, No. 3, 1990. pp. 427-446.

13.J. J. Zayhowski, A. Mooradian, "Single-frequency microchip Nd lasers," Opt. Lett, Vol. 14, No. 1, 1989. pp. 24-26.

14.Zayhowski J.J., Ochoa J., Mooradian A., "Gain-switched pulsed operation of microchip lasers," Opt. Lett, Vol. 14, No. 23, 1989. pp. 1318-1320.

15.Jun Dong, Ken-ichi Ueda, Akira Shirakawa, Hideki Yagi, Takagimi Yanagitani, Alexander A. Kaminskii, "Composite Yb:YAG/Cr4+:YAG ceramics picosecond microchip lasers," Opt. Express, Vol. 15, No. 22, 2007. pp. 14516-14523.

16.Benjamin Bernard, Eva Mehner, Daniel Kopf, Harald Giessen, Bernd Braun. Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XVI // 26ps pulses from a passively Q-switched microchip laser. San Francisco, California. 2014. Vol. 8960.

17.Eva Mehner, Benjamin Bernard, Harald Giessen, Daniel Kopf, and Bernd Braun, "Sub-20-ps pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate," Optics Letters, Vol. 39, No. 10, 2014. pp. 29402943.

18.Nodop D., Limpert J., Hohmuth R., Richter W., Guina M. and Tünnermann A., "High-pulse-energy passively Q-switched quasi-monolithic microchip lasers operating in the sub-100-ps pulse regime," OPTICS LETTERS, Vol. 32, No. 15, 2007. pp. 2115-2117.

19.Zayhowski J.J. Advanced Solid State Lasers // Thermal Guiding in Microchip Lasers. Salt Lake City, Utah. 1990. pp. 9-13.

20.0khrimchuk A.G., Shestakov A.V., "The time and spatial dinamics of the YAG:Nd3+/YAG:Cr4+ microchip laser emission," Proc. of SPIE., Vol. 6610, 2007. pp. 661002-1—661002-10.

21.Басиев Т.Т., "Спектроскопия новых ВКР-активных кристаллов и твердотельные ВКР-лазеры," Успехи физических наук, Т. 169, № 10, 1999. С. 1149-1155.

22.Бломберген Н., "Вынужденное комбинационное рассеяние света," Успехи физических наук, Т. 97, № 2, 1969. С. 307-352.

23.Басиев Т.Т., "Новые кристаллы для лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии," Физика твердого тела, Т. 47, № 8, 2005. С. 1354-1358.

24.Zverev P.G., Basiev T.T., Prokhorov A.M., "Stimulated Raman scattering of laser radiation in Raman crystals," Optical Materials, Vol. 11, 1999. pp. 335-352.

25.Зверев П.Г. ВКР активные кристаллы и разработка ВКР преобразователей на их основе: Автореферат диссертации докт. физ.-мат. наук. Москва. 2012. 31 с.

26.Maier М., Kaiser W., Giordmaine J.A., "Backward Stimulated Raman Scattering," Phys. Rev, Vol. 177, No. 2, 1969. pp. 580-599.

27.Culver W.H., Vanderslice J.T.A., Townsend V.W.T., "Controlled Generation of Intense Light Pulses in Reverse-Pumped Raman Lasers," Applied Physics Letters, Vol. 12, 1968. pp. 189-190.

28.Kachen G.I., Lowdermilk W.H., "Relaxation oscillations in stimulated Raman scattering," Phys. Rev. A., Vol. 16, No. 4, 1977. pp. 1657--1664.

29.Морозов С.Ф. П.Л.В..С.М.М..Ф.Г.И., "Формирование и усиление квазисолитонных импульсов при встречных вынужденных рассеяниях," Квантовая электроника, Vol. 5, No. 5, 1978. pp. 10051012.

30.Murray J.R., Goldhar J., Eimerl D., Szoke A., "Raman Pulse Compression of Excimer Lasers for Application to Laser Fusion," IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 15, No. 5, 1979. pp. 342-368.

31.Hon D.T., "Pulse compression by stimulated Brillouin scattering," Opt. Lett., Vol. 5, 1980. pp. 516-518.

32.Паперный С.Б., Петров В.Ф., Старцев В.Р., "Наблюдение квазисолитонного взаимодействия," Письма в ЖТФ, Vol. 7, No. 7, 1981. pp. 433 - 435.

33.Паперный С.Б., Петров В.Ф., Старцев В.Р., "Пространственные характеристики квазисолитонных импульсов, формируемых при ВРМБ в газах," Известия АН СССР, сер. физ., Vol. 46, 1982. pp. 1594-1599.

34.Горбунов В.А., Паперный С.Б., Петров В.Ф., Старцев В.Р., "Временное сжатие импульсов при ВРМБ в газах," Квантовая электроника, Vol. 10, No. 7, 1983. pp. 1386-1395.

35.Горбунов В.А., Иванов В.Б., Паперный , Старцев В.П., "Сжатие импульсов во времени при обратном вынужденном рассеянии," Известия АН СССР, серия физическая, Т. 48, № 4, 1984. С. 1580-1590.

36.Иванов В.Б., Мак А.А., Паперный С.Б., Серебряков В.А., "Формирование пикосекундных импульсов при обратном ВКР," Квантовая электроника, Т. 13, № 4, 1986. С. 857-861.

37.Дьяков Ю.Е., Никитин С.Ю., "О взаимодействии и конкуренции прямого и обратного рассеяний при ВКР," Квантовая электроника, Т. 9, № 6, 1982. С. 1258-1261.

38.Карпухин С.Н., Яшин В.Е., "Генерация и усиление излучения при ВКР в кристаллах," Квантовая электроника, Т. 11, № 10, 1984. С. 19921999.

39.R.G. Zaporozhchenko, I.S. Zakharova and G.G. Kotaev, "Laser Pulses Shortening at Transient Backward SRS and Forward Scattering Suppression," Journal of Modern Optics, Vol. 39, No. 4, 1992. pp. 863-870.

40.Girdauskas V., Dement'ev A.S., Kosenko E.K., Rodin M.M., "SRS-amplification of picosecond stokes pulses in the field of counterpropagating

pump pulses," Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 60, No. 3-4, 1994. pp. 207-212.

41.Вениаминов А.В., Михайлов В.Н. Оптические системы записи, хранения и отображения информации. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. 94 с.

42.Компакт-диск — Википедия URL: httpV/ru.wikipedia.org/wiki/Компакт-диск

43.DVD — Википедия URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/DVD

44.Blu-ray Disc - Wikipedia, the free encyclopedia 2014. URL: http:// en.wikipedia.org/wiki/Blu-ray_Disc

45.Terris B.D., Mamin H.J., and Rugar D., "Near-field optical data storage," Applied Physics Letters, Vol. 68, 1996. pp. 141-143.

46.M. Kovar, Midako A. Nohe, N.O. Petersen and P.R. Norton. NSOM | Photonics Handbook® URL: http://www.photonics.com/EDU/ Handbook.aspx?AID=25127

47.4GOOD - Technology - System Concept and Principle of Operation URL: http://www.4goodtechnology.org/pages/technology.php

48.Lambertus Hesselink, Sergei S. Orlov and Matthew C. Bashaw, "Holographic Data Storage Systems," Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 8, 2004. pp. 1231-1280.

49.Dallari Scotto M., Allione М., Samoylova E., Pignatelli F., Cingolani R., Athanassiou A., Diaspro A., "Three-dimensional optical data storage through multi-photon confocal," Microelectronic Engineering, Vol. 88, No. 12, 2011. pp. 3466-3469.

50.Shouzhi P., Huohong T., Bing C., Jingkun X., Wenhao H., "Photochromic diarylethene for two-photon 3D optical storage," Materials Letters, Vol. 60, No. 29-30, 2006. pp. 3553-3557.

51.Huiyuan H., Manzhou Z., Xiangming M., Zhiping Z., "Optical switching

and fluorescence modulation properties," Journal of Photochemistry and PhotobiologyA: Chemistry, Vol. 189, No. 2-3, 2007. pp. 307-313.

52.Eun-Mi Lee, Seon-Yeong Gwon, Byung-Chul Ji, Sheng Wang, Sung-Hoon Kim, "Photoswitching electrospun nanofiber based on a spironaphthoxazineeisophorone-based fluorescent dye system," Dyes and Pigments, Vol. 92, No. 1, 2011. pp. 542-547.

53.Hongping Zhou, Feixia Zhou, Shiya Tang, Peng Wu, Yixin Chen, Yulong Tu, Jieying Wu, Yupeng Tian, "Two-photon absorption dyes with thiophene as p electron bridge: Synthesis, photophysical properties and optical data storage," Dyes and Pigments, Vol. 92, No. 1, 2011. pp. 633-641.

54.Sheng Wang, Qiaozhen Qi, Chengpeng Li, Guohua Ding, Sung-Hoon Kim, "Photoswitching of bisthienylethene using 2D-p-A type pyran-based fluorescent dye for rewritable optical storage," Dyes and Pigments, Vol. 89, No. 2, 2011. pp. 188-192.

55.Hyper CD-ROM URL: http://www.dntb.ro/users/frdbuc/hyper-cdrom/ hyper.htm

56.V.A. Barachevsky, M.M. Krayushkin, V.V. Kyiko, E.P. Grebennikov, "Light-sensitive organic recording media for 3D optical memory," Phys. Status Solidi, Vol. 8, No. 9, 2011. pp. 2841-2845.

57.Barachevsky V.A., Strokach Yu.P., Puankov Yu.A., Kobeleva O.I., Valova T.M., Levchenko K.S., Yarovenko V.N., Krayushkin M.M., "Light-sensitive heterocyclic compounds for information nanotechnologies," ARKIVOC, Vol. IX, 2009. pp. 70-95.

58.Krayushkin M.M., Levchenko K.S., Yarovenko V.N., Zavarzin I.V., Barachevsky V.A., Puankov Yu.A., Valova T.M., Kobeleva O.I., "Synthesis and study of photosensitive chromone derivatives for recording media of archival three-dimension optical memory," ARKIVOC, Vol. IX, 2009. pp. 269-283.

59.Krayushkin М.М., Levchenko K.S., Yarovenko V.N., Christoforova L.V., Barachevsky V.A., Puankov Yu.A., Valova T.M, Kobeleva O.I., Lyssenko K., "Synthesis and reactivity of 1-aryl-9H-thieno[3,4-b]chromon-9-ones," New J. Chem, Vol. 33, 2009. pp. 2267-2277.

60.Matthews D.G. and Marshall L.R. Advanced Solid State Lasers // Pump Face Cooling. 2001. pp. 138-142.

61.Frede M., Wilhelm R., Brendel M., Fallnich C., Seifert F., Willke B., Danzmann K., "High Power Fundamental Mode Nd:YAG Laser with Efficient Birefringence Compensation," Optics Express, Vol. 12, No. 15, 2004. pp. 3581-3589.

62.Kracht D., Frede M., Fallnich C., "Comparison of Crystalline and Ceramic Composite Nd:YAG for High Power Diode End-Pumping," Optics Express, Vol. 13, No. 16, 2005. pp. 6212-6216.

63.Гагарский С.В., Назаров В.В., Сергеев А.Н., Юревич В.И., "Исследование неодимсодержащих кристаллических активных элементов с дискретным и градиентным изменением концентрации активатора в направлении накачки," Оптический журнал, Т. 79, № 6, 2012. С. 20-30.

64.Jabczyn'ski J.K., Kopczyn'ski K., Szczes'niak A., "Thermal lensing and thermal aberration investigations in diode-pumped lasers," Optical Engineering, Vol. 35, No. 12, 1996. pp. 3572-3578.

65.Chen C.H., Wei M.D., Hsieh W.F., "Beam-propagation-dominant instability in an axially pumped solid-state laser near degenerate resonator configurations," J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 18, No. 8, 2001. pp. 1076-1083.

66.Белашенков Н.Р., Гагарский С.В., Смирнов М.З., Фимин П.Н., Храмов В.Ю., "Дифракционная модель квазинепрерывного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности," Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, Т. 16, 2004. С. 101-108.

67.Turri G., Jenssen H.P., Cornacchia F., Tonelli M., Bass M., "Temperature-dependent stimulated emission cross-section in Nd3+:YVO4 crystal," J.Opt.Soc.Am.B, Vol. 26, No. 11, 2009. pp. 2084-2088.

68.Алексеева В.А., Гагарский С.В., Ук Канг, Кенг Хи Ли, Лукин А.В., Сибирев М.Ю., Ханков С.И., "Температурная зависимость энергетических параметров KGW:Nd3+-лазера, генерирующего на длинах волн 1,06 и 1,35 мкм," Оптический Журнал, Т. 70, № 2, 2003. С. 33-39.

69.Тогатов В.В., Гагарский С.В., Гнатюк П.А., Черевко Ю.И., "Импульсный блок питания лазерных диодных модулей для накачки твердотельных лазеров," Приборы и техника эксперимента, Т. 2, 2007. С. 158-159.

70.Wright D., Greve P., Fleischer J., Austin L., "Laser beam width, divergence and beam propagation factor - an international standardization approach," Optical and Quantum Electronics, Vol. 24, No. 9, 1992. pp. 993-1000.

71.Huang Y.J., Huang Y.P., Liang H.C., Su K.W., Chen Y.F., Huang K.F., "Comparative study between conventional and diffusion-bonded Nd-doped vanadate crystals in the passively mode-locked operation," Optics Express, Vol. 18, No. 9, 2010. pp. 9518-9524.

72.Гагарский С.В., Кийко В.В., Кондратьев В.А., Подвязников В.А., Сергеев А.Н., Чевокин В.К., "Управление временными характеристиками излучения nd+3:yag:cr+4-минилазера с использованием активной внутрирезонаторной оптики," Известия высших учебных заведений. Приборостроение., Т. 56, № 9, 2013. С. 1825.

73.Гагарский С.В., Кийко В.В., Кондратьев В.А., Сергеев А.Н., Храмов В.Ю., Якобсон В.Э., "Компрессия импульсов микрочип-лазера с диодной накачкой при встречном ВКР-преобразовании," Известия

высших учебных заведений. Приборостроение., Vol. 56, No. 9, 2013. pp. 31-36.

74.Yao G., Shouhuan Zhou, Wang P., Lee K. K., Chen Y. C., "Dynamic of transverse mode in self-Q-switched solid-state lasers," Optics Communications, Vol. 114, 1995. pp. 101-105.

75.De Silvestri S., Laporta P., Mangi V., Svelto O, "Radially variable reflectivity output coupler of novel design for unstable resonators," Optics Letters, Vol. 12, No. 2, 1987. pp. 84-86.

76.Kiiko V.V., Kislov V.I., Ofitserov E.N., "Mirror with a variable amplitudephase reflectance. 2. Modelling of a laser resonator with an active output mirror," Quantum Electronics, Vol. 41, No. 3, 2011. P. 239—242.

77.Кийко В.В., Офицеров Е.Н., "Исследование термооптических искажений активного элемента (Nd:YVO4) при различных способах его крепления," Квантовая электроника, Т. 36, № 5, 2006. С. 483—486.

78.Кийко В.В., Кондратьев В.А., Кислов В.И., Офицеров Е.Н., Суздальцев А.Г. Лазеры, измерения, информация // Управление пространственно-временными характеристиками микрочип лазера на основе YAG:Nd с пассивной модуляцией добротности. СПб. 2012. С. 92.

79.Карпухин С.Н., Яшин В.Е., "Генерация и усиление излучения при ВКР в кристаллах," Квантовая электроника, Т. 11, № 10, 1984. С. 19921999.

80.Kiyko VV, "Multi-layer optical disc," US8455079 B2, Mar 22, 2012.

81.Kiyko VV, "Device for recording and reading data on a multi-layer optical disc," US8462603 B2, Mar 22, 2012.

82.Rabarot M., Marty J., Fulbert L., Thony P., Molva E. Technical Digest. Summaries of papers presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics // Very low threshold microchip lasers with stable microcavities. San Francisco, CA, USA. 1998. pp. 483 - 484.