1.5 мкм иттербий-эрбиевые лазеры с диодной накачкой - элементная база и генерационные возможности

СОДЕРЖАНИЕ.
Введение 6
1. Состояние науки и техники полуторамикронных эрбиевых лазеров к моменту начала настоящей работы. 6
2. Постановка задач, структура диссертации. 15
Часть I. Иттербий-эрбиевые активные материалы для различных типов лазеров с диодной накачкой. 35
Глава 1.1. Концентрированное иттербий-эрбиевое лазерное стекло. 35
Введение
§1.1.1. Поиск состава и его основные физико-химические свойства. 38
§1.1.2. Особенности накопления и релаксации энергии инверсной населенности в концентрированных иттербий-эрбиевых стеклах. 42
1. Зависимости населенности верхнего лазерного уровня ионов ^ эрбия от плотности энергии импульсной накачки.
2. Кинетики релаксации населенности уровня 4113/2 Ег3+ при высоких плотностях возбуждения.
§1.1.3. Генерационные исследования концентрированного лазерного стекла при накачке неодимовыми (Х~1.06 мкм) лазерами. 57
Глава 1.2. Высокопрочное иттербий-эрбиевое лазерное стекло. 62
Введение.
И §1 .2.1. Поиск состава стекла. 63
§1.2.2. Физико-химические свойства разрабатываемого стекла. 68
2
§1.23. Спектрально - кинетические особенности высокопрочного стекла. 77
§1.2.4. Лазеры на высокопрочном иттербий-эрбиевом стекле (ламповая накачка). 86
Глава 1.3. Кристаллическая активная среда для 1.5 мкм лазеров - оксиборат кальция-гадолиния Сс1Са40(ВОз)з с иттербием •и эрбием. 92
Введение
§1.3.1. Выращивание кристаллов 94
ф §1.3.2. Особенности спектроскопии и переноса энергии
электронного возбуждения в \Ъ,Ег:С(!СОВ. 95
Выводы из Части I. 100
Часть П. Поиск и исследование пассивных модуляторов добротности для 1.5 мкм спектральной области. 102
Введение.
§ П.1.1. Пассивная модуляция добротности лазеров на Ц эрбиевом стекле при помощи германиевого зеркала. 104
§ 11.1.2. Лазеры на эрбиевом стекле с пассивной модуляцией добротности эрбий-содержащим элементом. 105
§ П.1.3. Новая эффективная просветляющаяся среда для модуляции добротности лазеров на эрбиевом стекле (Х=1.54 мкм) - кристаллы легированной кобальтом магний-алюминиевой шпинели (М^А^О^Со2*). 114
§ П.1.4. Возможности использования кристаллов М^А^О^Со2*
ДЛЯ модуляции добротности лазеров на переходе 4Р3/2—>4113/2 ионов М3*. 126
§11.5. Особенности выращенных различными способами
3
кристаллов алюмомагниевой шпинели, легированной кобальтом.
Выводы из Части II.
129
135
Часть III. 1.5 мкм диодно-накачиваемые лазеры
на разработанных материалах. 137
Введение.
Глава Ш.1. Лазеры с импульсной поперечной накачкой линейками лазерных диодов. 140
Введение.
§ Ш.1.1. Генерационные испытания нового концентрированного УЬ-Ег стекла в лазере с импульсной поперечной накачкой двумя линейками лазерных диодов. Режим свободной генерации. 140
§ Ш.1.2. Миниатюрный лазер на концентрированном УЬ-Ег стекле с накачкой единственной 100 Вт диодной линейкой и с активной модуляцией добротности затвором на нарушенном полном внутреннем отражении (НПВО-затвором). 144
§ Ш.1.3. Мощный и высокоэффективный лазер на концентрированном УЬ-Ег стекле с накачкой тремя диодными линейками с активной модуляцией добротности затвором на нарушенном полном внутреннем отражении. 146
Глава 111.2. Микролазеры на иттербий-эрбиевых средах с непрерывной продольной диодной накачкой. 157
Введение.
§Ш.2.1. Микролазер на концентрированном стекле с продольной диодной накачкой 162
§111.2.2. Модуляция добротности непрерывно-накачиваемых
4
163
170
184
190
195
200
200
210
217
220
микролазеров на УЬ-Ег стеклах при помощи затворов на нарушенном полном внутреннем отражении.
§111.2.3. Пассивная модуляция добротности диодно-накачиваемых микролазеров на УЬ-Ег стекле кристаллами легированной кобальтом шпинели.
§111.2.4. Микрочип - лазер на высокопрочном иттербий-эрбиевом стекле.
§111.2.5. Лазеры на кристаллах СбСОВ:УЬ,Ег. Заключительные выводы.
Приложение 1. Технологии синтеза нттербий-эрбиевых лазерных стекол.
§1. Краткое описание ранее разработанной в ИОФ РАН технологии синтеза фосфатных лазерных стекол.
§2. Разработка'Технологии синтеза высокопрочного алюмо-боро-фосфатного иттербин-эрбиевого лазерного стекла.
Приложение 2. Характеристики серийного микрочип--лазера с пассивной модуляцией добротности как пример практических приложений результатов проведенных исследований.
Литература.
5
Введение
1. Состояние науки и техники 1.5 мкм эрбиевых лазеров к моменту начала настоящей работы.
Известно, что спектральная область ~1.5 - 1.6 мкм привлекает разработчиков различных лазерных приборов по целому ряду причин. Прежде всего это - относительная безопасность излучения для зрения: допустимая в полуторамикронной области плотность энергии, облучающей роговицу глаза, на 5 порядков превышает соответствующие значения для видимой и ближайшей ИК областей спектра. Такая особенность связана с подходящим (десятки см'1) коэффициентом поглощения полуторамикроннного излучения водой, содержащейся в прозрачных тканях глаза, и связанной с этим невозможностью поражения чувствительной сетчатой оболочки глаза. Эта же особенность делает полуторамикронные лазеры привлекательными для ряда хирургических применений, где требуется «деликатная» коагуляция малых объемов биологических тканей. В то же время земная атмосфера, несмотря на наличие в ней воды в виде паров, вполне прозрачна в полуторамикронной области, которая, таким образом, оказывается весьма удобной для работы лазерных локаторов и дальномеров. Кроме того, с указанным спектральным диапазоном совпадают области максимальной прозрачности кварцевых световодов, использующихся в волоконных линиях связи и максимальной чувствительности распространенных неохлаждаемых фотоприемников - германиевых и ГпСаЛБ фотодиодов.
В полуторамикрошюй области спектра могут излучать лазерные источники различного типа. Перечислим наиболее распространенные:
Не-Ые лазеры, достаточно громоздкие и маломощные. Работают в непрерывном режиме с невысоким КПД, но с высоким пространственным и спектральным качеством излучения.
лазерные диоды - недорогие, высокоэффективные малогабаритные источники, способные работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Однако выходная мощность одиночных диодов ограничена единицами ватт. Из-за этого обстоятельства, а также из-за невозможности накопления энергии инверсной населенности, этот тип лазеров не способен формировать короткие мощные импульсы в режимах модуляции добротности и усиления внешнего сигнала.
ВКР - генераторы на ряде кристаллических материалов (напр, калий-гадолиниевом вольфрамате КС\У) и на сжатых газах (метан, дейтерий), преобразующие в полуторамикронную область излучение неодимовых 1.34 мкм и 1.06 мкм лазеров. К этой же группе можно отнести используемые иногда для получения излучения в полуторамикронной области спектра параметрические генераторы света. В отличие от вышеперечисленных типов лазеров ВКР - и ПГС - генераторы способны формировать мощные короткие импульсы излучения, необходимые, например, для импульсной лазерной дальнометрии. Недостатком такого рода устройств является относительная сложность, а в случае ВКР-генераторов на сжатых газах - и громоздкость их оптической схемы [1], И, [3], [4], [5], [6], [7], [8].
- Лазеры на самоограниченном переходе 3Р4 —ионов Тт3Д9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]. Такие лазеры не получили пока большого практического распространения. Из особенностей этих лазеров следует отметить, что для осуществления в них непрерывного режима генерации требуются те или иные меры по преодолегппо самоограничения. Для этого в лазерный материал или вводится селективный тушитель люминесценции нижнего лазерного уровня (например, ионы ТЬ3+), или
обеднение населенности нижнего лазерного уровня осуществляется при накачке по ап-конверсионному механизму через ионы УЬ3^ , или устраивается каскадная генерация.
- Твердотельные лазеры на переходе л\\2п - 41н/2 ионов Ег3~ в
различных диэлектрических материалах (прежде всего в стеклах).
На настоящее время эрбиевые лазеры являются наиболее распространенными источниками полуторамнкронного лазерного излучения. Как всякие твердотельные лазеры, их отличает простота, достаточная компактность и возможность масштабирования. Также их преимуществом является большое (до 7-8 мс) время жизни верхнего лазерного уровня. Большое время жизни легко позволяет осуществлять накопление энергии инверсной населенности в лазерной среде для ее последующего излучения в виде коротких мощных импульсов (режимы модуляции добротности и усиления импульсного излучения), что требуется в преобладающем большинстве применении.
Однако поскольку нижним лазерным уровнем является основное состояние, для возникновения инверсии на указанном переходе необходимо возбудить около половины ионов эрбия. Такой высокий требуемый уровень возбуждения вкупе с ограниченной мощностью источников оптической накачки приводят к ограничению концентраций эрбия в лазерной среде. Невысокие (обычно порядка нескольких десятых весового процента) концентрации эрбия делают невозможной эффективную прямую оптическую накачку при небольших габаритах активных элементов лазеров. В волоконной технике (где эрбиевые лазеры и усилители получили большое распространение) эта проблема может быть решена за счет большой длины активного волокна. Предметом же настоящей работы являются лазеры на малогабаритных объемных элементах. В этом случае проблема может быть решена
введением в активную среду достаточного количества сенсибилизаторов, поглощающих излучение накачки и безызлучатсльным образом передающих ее к лазерным ионам. Для ионов эрбия эффективными сенсибилизаторами являются ионы иттербия УЬ3+, которые имеют единственную, но сильную (особенно при высокой концентрации УЬ3+) полосу поглощения в области -0.9-1 мкм.
Схема энергетических уровней и процессов трансформации энергии в системе ионов УЬ3^-Ег3н приведена на Рис. В.1.
Сенсибилизация люминесценции эрбия ионами иттербия осуществляется за счет миграционно-ускоренного безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения С ИОНОВ иттербия (уровень ^5/2 ) на уровень 41ц/2 ионов эрбия.
Необходимым условием эффективного заселения верхнего лазерного уровня 4113/2 ионов Ег3~ в иттербий-эрбиевой лазерной среде является возможно более быстрая релаксация возбуждений с уровня 41цд на верхний лазерный уровень 41хз^ . В противном случае, если релаксация на верхний лазерный уровень недостаточно быстра, паразитные процессы обратного переноса энергии ( с уровня 41ца Ег3+ назад к ионам иттербия) и кумуляции (переноса энергии с ионов иттербия к ранее
возбужденным ионам эрбия, в частности по схемам УЬ3~ (2р5/2 -2$т ) еЛ -%а) И УЪ3‘ (2Р« -2?т ) -> Ег3*( \т -2Н1Ш), см. Рис. В.1), могут приводить к резкому снижению эффективности заселения верхнего лазерного уровня, и даже к полной невозможности достижения инверсии на рассматриваемом лазерном переходе [16].
Другим, более очевидным, требованием к эффективной иттербий-эрбиевой лазерной среде является высокий, близкий к единице, квантовый выход люминесценции на лазерном переходе или, другими
Рис В.1. Схема уровней и процессов трансформации энергии в иттербий-эрбиевых лазерных средах.
1. - оптическая накачка;
2, 3 - прямой и обратный безызлучательный перенос возбуждений между ионами иттербия и эрбия;
4 - ал-конверсионные (кумулятивные) процессы;
5 - многофононная релаксация;
6 - генерирующий переход.
словами, близость времени затухания полуторамикронной люминесценции эрбия к радиационному времени лазерного перехода (типичное значение которого в оксидных матрицах - 7*8 мс).
Впервые 1.5 мкм генерацию ионов эрбия в УЬ3* -Ег3+ среде (в силикатном стекле) получили в 1965 г. Снитцер и Вудкок [15].
Вскоре после получения эффекта генерации в силикатном стекле, в 1969 г. Снитцером же было предложено использовать для этой цели фосфатное стекло [23]. Стекла на фосфатной основе до настоящего времени остаются практически единственным материалом, используемым в иттербий-эрбиевых лазерах. Это объясняется тем, что свойства фосфатного стекла хорошо согласуются с указанными выше спектрально-кинетическими требованиями. Несмотря на это, весьма длительное время после пионерских работ Снитцера эффективность иттербий-эрбиевых стеклянных лазеров оставалась весьма низкой, порядка 0,1%. Только в 1980-х гг., в большой мере благодаря работам отечественных исследователей (прежде всего в ИРЭ АН СССР и ГОИ), было достигнуто глубокое понимание механизмов трансформации энергии в итгербий-эрбиеых стеклах, предложен способ накачки иттербий-эрбиевых стекол неодимовыми (Х«1,06 мкм ) лазерами, а затем найден эффективный второй сенсибилизатор для иттербий-эрбиевых стекол - ионы трехвалентного хрома. В результате КПД эрбиевых лазеров с ламповой накачкой был повышен до вполне удовлетворительных для практических нужд значений (в отдельных случаях до 3 % и даже выше) [24], [25].
Основной недостаток стекла по сравнению с кристаллами как лазерной среды - низкая теплопроводность и, как следствие, легкость теплового разрушения. Легкость теплового разрушения ограничивает среднюю мощность генерации лазеров на эрбиевых стеклах типичным значением в
0.3*0.5 Вт на погонный сантиметр длины активного элемента.
Поиск же кристаллических сред, одновременно обладающих двумя вышеуказанными спектрально-кинетическими свойствами, оказался достаточно нетривиальной задачей. Несмотря на значительные успехи ряда поисковых работ [17], [18], [19], [20], [21] [22], можно утверждать, что технологичных кристаллических материалов, одновременно и в полной мерс удовлетворяющих этим двум спектрально-кинетическим требованиям, не известно до сих пор. (Более подробный обзор ситуации содержится в посвященной этой проблеме главе 1.3.)
Отсутствие сколько-нибудь эффективных кристаллических лазерных сред, излучающих в области 1.5 мкм, заставило исследователей заниматься поиском возможно более стойких к мощной накачке составов эрбиевых лазерных стекол , а также технологией упрочнения элементов из них. В этом направлении успех сопутствовал исследователям фирмы Кл^е тс. (США), разработавшим иттербий-эрбиевое лазерное стекло марки (2Х-Ег, на активном элементе длиной около 15 см из которого была достигнута при ламповой накачке средняя мощность генерации 20 Вт [26], а также исследователям из ИРЭ РАН, показавшим возможность достижения при ламповой накачке порога непрерывной генерации [59].
До сих пор речь шла в основном о «традиционных» твердотельных лазерах с накачкой газоразрядными лампами. Наблюдающийся же в последнее десятилетие быстрый прогресс в науке и технике твердотельных лазеров обусловлен несколькими факторами, важнейшим из которых представляется быстрый прогресс техники инжекционных полупроводниковых лазерных диодов. Лазерные диоды обладают чрезвычайно высоким КПД, достигающим 40-50%, но ограниченной пиковой мощностью при сложности масштабирования и, как правило, невысокими пространственными характеристиками излучения. Распространение лазерных диодов обусловило массовую
тенденцию к созданию твердотельных лазеров с диодной накачкой. Такие лазерные системы обладают (по сравнению с лазерами, накачиваемыми газоразрядными лампами) намного более высоким КПД и меньшими габаритами, а также могут намного превосходить их по долговечности и стабильности параметров излучения.
Другой фактор, способствующий быстрому прогрессу твердотельных лазеров - создание новых лазерных материалов, как активных, так и пассивных (просветляющиеся среды на основе активированных ионами переходных металлов диэлектрических кристаллов, на основе полупроводниковых или активированных переходными металлами диэлектрических нанокристаллитов в стеклах; зеркала с полупроводниковым слоем , обеспечивающим переменный коэффициент отражения (БЕБАМз); элементы, использующие Керровскую нелинейность и другие материалы и устройства для получения импульсов короткой и сверхкороткой длительности).
В совокупности эти два фактора привели к появлению тенденции развития техники “полностью твердотельных” (т. е. состоящих только из твердотельных оптических элементов, в том числе в системе накачки) миниатюрных (т.е. преимущественно использующих пассивные методы управления генерацией) лазеров.
До сих пор наибольшее развитие эта тенденция получала в основном применительно к лазерам, излучающим в видимой и ближайшей ИК (~ I мкм ) области спектра.
Однако, в связи с появлением в последнее время доступных и эффективных ГпОаАБ лазерных диодов, спектральная область излучения которых хорошо перекрывается с полосой поглощения иттербия,
интерес к иттербий-эрбиевым лазерам также резко возрос. Это связано с широтой возможных применений таких диодно-накачиваемых лазеров благодаря их эффективности, безопасности для зрения, компактности и потенциальной (при массовом производстве) дешевизне. Как и в случае ,например, неодимовых лазеров, переход от ламповой к диодной накачке эрбиевых стекол позволил резко снизить габариты лазеров при одновременном резком повышении КПД и частоты следования импульсов. Кроме того, диодная накачка, в отличие от ламповой, легко позволяет осуществить непрерывный режим генерации.
Однако существовавшие до настоящего времени материалы для 1.5 мкм иттербий-эрбиевых лазеров разрабатывались и оптимизировались в основном под накачку газоразрядными импульсными лампами. Осуществление же преимуществ лазеров с диодной накачкой требует создания специальных лазерных материалов, оптимизированных для различных режимов накачки лазерными диодами.
Цели настоящей диссертации можно сформулировать как:
I. Создание нового поколения иттербий-эрбиевых лазерных сред (как стеклообразных, так и кристаллических), специально предназначенных для лазеров с диодной накачкой;
II. Поиск и исследование средств для пассивной модуляции добротности 1.5 мкм лазеров;
Ш. Создание лазеров с диодной накачкой на элементной базе из разработанных активных и пассивных материалов.
В следующем разделе Введения формулируется ряд конкретных требующих решения проблем в рассматриваемой области, производится постановка задач диссертации и излагается ее структура.
14
2. Постановка задач, структура диссертации.
Как уже было упомянуто, существовавшие до настоящего времени эрбиевые лазерные стекла разрабатывались и оптимизировались под накачку газоразрядными импульсными лампами, и в меньшей мере -импульсными неодимовыми лазерами. Осуществление же преимуществ лазеров с диодной накачкой требует создания нового поколения активных лазерных сред, специально созданных и оптимизированных для различных режимов накачки лазерными диодами.
Создание и исследование ряда таких новых стеклообразных и кристаллических материалов, активированных системой иттербий-эрбий, и составило предмет Части I настоящей диссертационной работы.
Специфика материалов для диодной накачки включает несколько аспектов.
Для эффективного поглощения излучения диодных лазеров в малогабаритных активных элементах в большинстве случаев требуется повышенная (до 3-^4х1021 см'3 и более) концентрация ионов иттербия. Необходимость использования в микролазерах также и повышенных концентраций ионов эрбия (по сравнению с типичными значениями в стеклах для ламповой накачки) проистекает из малости коэффициента усиления в миниатюрных диодно-накачиваемых лазерных элементах, который составляет не более нескольких процентов на проход. Задача создания таких концентрированных иттербий-эрбисвых лазерных стекол, которой посвящена Глава 1.1, требует решения ряда как фундаментальных физических, так и технологических проблем.
Из проблем технологического свойства следует в первую очередь выделить проблему поиска составов стекол, допускающих введение
высоких концентраций иттербия без резкого роста склонности стекла к заруханию (кристаллизации). Поиску подходящего состава и изучению его основных физико-химических свойств посвящен §1.1.1.
Из проблем фундаментального характера следует отметить проблему возникновения в концентрированных иттербий-эрбиевых лазерных стеклах дополнительного канала потерь энергии. Имеются в виду потери энергии инверсной населенности, вызванные безызлучательным взаимодействием возбужденных ионов эрбия между собой (процесс Ег3+ (4113/2 - %п) —> Ег3+( 41|з/2 -41]5/2)» незаметные в стеклах для ламповой накачки с невысокой концентрацией ионов эрбия (1.5-гЗ)х1019 см'3, но весьма существенные при лазерных уровнях возбуждения в стеклах с содержанием эрбия более 102 см'3. Исследованию и математическому описанию вызванных этим процессом особенностей кинетики релаксации ионов эрбия в разрабатываемом концентрированном стекле посвящен §1.1.2. Следующий параграф (§1.1.3.) посвящен исследованиям генерационных возможностей этого стекла при накачке импульсными неодимовыми (А=1.06 мкм) лазерами.
В целом по совокупности свойств разработашюе стекло оказалось наиболее подходящим для лазеров с импульсной поперечной накачкой диодными линейками. Эксперименты по диодной накачке (как этого стекла, так и других разработашгых активных лазерных материалов) изложены в Части III диссертации.
Другая требующая решения задача проистекает из легкости теплового разрушения стеклянных элементов из-за низкой теплопроводности стекол по сравнению с кристаллическими материалами. Легкость теплового разрушения лазерных стекол ограничивает среднюю мощность генерации и особенно существенна для лазеров с непрерывной
накачкой. Ситуация усугубляется уже упоминавшимся выше фактом, что, до самого недавнего времени, стекла на фосфатной основе являлись единственным типом материалов, в котором получалась эффективная 1.5 мкм генерация в системе иттербий-эрбий. В целом поставленную задачу можно сформулировать как необходимость создания эффективной иттербий-эрбиевой лазерной среды, стеклообразной или кристаллической, способной выдерживать без разрушения высокую среднюю мощность накачки.
Разумеется, эта проблема в равной степени актуальна для лазеров как с диодной, так и с ламповой накачкой. Однако в процессе работы выяснилось, что учет специфики сред для лазеров с диодной накачкой позволяет существенно продвинуться в ее решении.
При поиске путей решения этой проблемы в рамках настоящей работы использовались два существенно различных подхода.
Первый подход состоял в разработке специального высокопрочного стекла дтя итгербий-эрбиевых лазеров с диодной накачкой. Этому посвящена Глава 1.2. Методологическим приемом, позволившим достичь положительного результата, явилось использование не чисто фосфатных, а смешанных (алюмо-боро-фосфатных) составов стекол, структурно аналогичных не чисто фосфатным, а более «связанным», механически и химически стойким силикатным стеклам. При этом оказалось, что и в широком классе смешанных составов оба упоминавшиеся выше спектрально-кинетические требования к иттербий-эрбиевой лазерной среде удовлетворяются не хуже, чем в чисто фосфатных стеклах.
Разработанное лазерное стекло (названное в англоязычных публикациях Strong Erbium Laser Glass, SELG) оказалось способно, в отличие от ранее известных стекол, выдерживать без разрушения непрерывную накачку излучением существующих на сегодняшний день одиночных лазерных диодов. Совокупность термомеханнческих и спектрально-кинетических особенностей разработанного стекла определила область его применения - микролазеры повышенной средней мощности с непрерывной продольной диодной накачкой.
Следует отметить также, что при выборе состава этого стекла удалось удовлетворить еще одному требованию: сделать коэффициент
термического расширения стекла достаточно близким к КТР кристаллов алюмомагниевой шпинели. Эти, легированные ионами двухвалентного кобальта, кристаллы были предложены (см. Часть П) в качестве эффективного пассивного модулятора добротности эрбиевых лазеров. Близость КТР активного и пассивного лазерных элементов позволила впоследствии создать на их основе монолитную неразъюстируемую конструкцию микрочип-лазера, описанную в Части Ш диссертации.
Задача создания нового высокопрочного лазерного стекла потребовала разработки специальной технологии для его синтеза, во многом отличной от существующих технологий синтеза лазерных стекол. Основная сложность получения стекла с высоким оптическим качеством и с требуемым глубоким уровнем обезвоживания состояла в его высокой вязкости и летучести при температурах синтеза, допустимых для платиновых тиглей. Описание предложенной совокупности технологических приемов дано в Приложении 1.
Другой, изложенный в Главе 1.3, подход к решению проблемы создания активного материала для иттербнй-эрбисвых лазеров с высокой средней
мощностью состоит в поиске кристаллической среды для этой цели. Сложность проблемы состоит в необходимости одновременного совмещения многих разнородных требований, предъявляемых к такой лазерной среде. Это, прежде всего, требование достаточной технологичности кристалла и упоминавшиеся выше два требования к спектрально-кинетическим особенностям иггербий-эрбиевой лазерной среды. Предпринимавшиеся до самого последнего времени попытки создания такой активной среды не приводили к практически значимому результату: эффективность получаемой генерации многократно уступала эффективности лазеров па стекле.
Лишь к 2003 году в литературе появились сообщения об эффективной (хотя и высокопороговой) генерации на 411з/2 * 41\зп переходе ионов эрбия при накачке через иттербий в кристалле оксибората иттрия-кальция Са4УО(ВОз)3:УЪ3+, Ег3+ (УСОВ: УЬ3*, Ег3*) [22]. Высокие пороги генерации УСОВ связаны с не слишком хорошим выполнением второго из упоминавшихся выше спектрально-кинетических требований к иттербий-эрбиевой лазерной среде: из-за многофононного тушения на колебаниях В03 - групп время жизни верхнего лазерного уровня ионов эрбия в УСОВ составляет всего 1.17 мс (против «7.5 мс в фосфатных стеклах).
В задачи настоящей работы входило исследование возможностей другого подобного кристалла - оксибората гадолиния - кальция: Са4С<Ю(В03)3: УЪ3", Ег3+(Сс1СОВ).
Стимулом этих исследований явился ряд потенциальных преимуществ этого соединения по сравнению с УСОВ:
- Меньшая температура плавления позволяет выращивать эти кристаллы из платиновых, а не иридиевых тиглей.
- Несколько больший размер элементарной ячейки кристаллической решетки (МСОВ арпоп позволял ожидать, что в этом материале многофононное тушение люминесценции верхнего лазерного уровня эрбия может быть ослаблено по сравнению с УСОВ.
Глава 1.3 посвящена спектрально-люминесцентным исследованиям кристаллов вбСОВ: УЪ3*, Ег3+ , а их генерационные возможности изучены в Ш части диссертации.
Большинство применений твердотельных лазеров, полуторамикронных УЬ-Ег в том числе, связано с возможностью формирования и усиления в них коротких мощных импульсов. Для миниатюрных лазеров с диодной накачкой наиболее интересны пассивные средства управления генерацией. Следует заметить, что до сравнительно недавнего времени насыщающихся поглотителей или другого типа пассивных модуляторов добротности для 1.5 мкм эрбиевьгх лазеров не было известно. Часть II диссертации посвящена поиску и разработке новых пассивных материалов для управления добротностью полуторамикронных эрбиевых лазеров. Работы по поиску пассивных затворов для лазеров 1.5 мкм диапазона была начата автором в 1990 г. Тогда были предложены и исследованы первые пассивные модуляторы добротности для 1.5 мкм лазеров - германиевые зеркала и концентрированные эрбий-тербиевые стекта ([27],[28],[29], §П.1 и §П.1). Лазеры с такими модуляторами показали неплохую эффективность, но ряд их недостатков сделал практическое использование неудобным. Так, для модуляции добротности лазера эрбий-тербиевым стеклом требуется острая фокусировка излучения в затвор, а полупроводниковые зеркала легко повреждаются лазерным излучением.
Полученные первые положительные результаты стимулировали как дальнейший, описанный в Части II , поиск, так и работы других
исследователей: Так, в [30],[31],[32] различными авторами было
предложено использовать в качестве пассивного затвора не стекла, а легированные эрбием кристаллические материалы (Са5(Р04)зР и CaF2) с несколько увеличенным, по сравнению со стеклом, сечением поглощения ионов эрбия на 1.53 мкм, что позволило снизить необходимую остроту фокусировки лазерного излучения в пассивный затвор.
За прошедшее с тех пор время появился целый ряд материалов и устройств пассивного типа, в принципе пригодных для управления генерацией (модуляции добротности и синхронизации мод) полуторамикронных эрбиевых лазеров. Однако и из них не все оказались одинаково практически пригодными. Одна из причин этого - малое усиление в эрбиевых лазерах и связанная с этим высокая чувствительность лазеров ко всякого рода внутрирезонаторным потерям. Исторически первым получившим некоторое практическое применение типом пассивного модулятора добротности для лазеров на эрбиевом стекле явились легированные ураном кристаллы CaF2 и SrF2 [33], [34]. Поскольку сечение поглощения ионов урана в этих материалах на порядок превосходит сечение вынужденного испускания ионов эрбия в стекле, для модуляции добротности фокусировки излучешш в затвор не требуется. Тем не менее, эффективность лазеров с этими пассивными элементами существенно уступает эффективности лазеров с активной модуляцией добротности.
Полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглощением (Semiconductor saturable absorber mirrors, SESAMs) являются весьма перспективным устройством для пассивного управления генерацией (т.е. для модуляции добротности и синхронизации мод) различных твердотельных лазеров (см., например, обзор [35]). Эти устройства состоят из слоя просветляющегося полупроводникового материала между парой зеркал (переднее зеркало, как правило, диэлектрическое, а