ВКР активные кристаллы и разработка ВКР преобразователей на их основе

Оглавление
стр.
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ В КРИСТАЛЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 17
1.1. Явление вынужденного комбинационного рассеяния света 17
1.2. Вынужденное комбинационное рассеяние света в твердых телах 22
1.3. Основные типы твердотельных ВКР преобразователей и ВКР лазеров 25
Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОИСКА КРИСТАЛЛОВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ВКР 30
2.1 Спектры спонтанного комбинационного рассеяния ВКР активных мод в кристаллах 34
2.2 Измерение коэффициентов ВКР усиления в кристаллах с использованием наносекундных импульсов 41
2.2.1. Исследование зависимости коэффициента ВКР усиления в кристалле Ва\У04
от длины волны методом ВКР усиления при наносекундном возбуждении 54
2.3. Измерение коэффициентов ВКР усиления в кристаллах при возбуждении пикосекундными лазерными импульсами 61
2.4. Выводы к главе 2 74
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОНОН-ФОНОННОГО И ФОИОН-РЕШЕТОЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВКР АКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА 11АРАМЕТРЫ ВКР АКТИВНЫХ МОД 76
3.1. Особенности спектров спонтанного комбинационного рассеяния кристаллов
с анионными комплексами 76
3.2. Исследование температурного уширения комбинационных мод и установление преимущественных каналов релаксации их возбуждения в кристаллах нитратов 81
3.3. Спектроскопия спонтанного комбинационного рассеяния кристаллов вольфраматов и молибдатов с шеелитовой структурой 102
3.3.1 Исследование температурного уширения и сдвига частоты КР мод в кристаллах вольфраматов и молибдатов 102
3.3.2 Релаксация ВКР активной Ае(У|) моды в кристалле Ва\У04 117
2
3.4. Влияние температуры на параметры ВКР активных мод в кристаллах.
Анализ температурной стабильности твердотельных ВКР преобразователей 122
3.5. Выводы к главе З 137
Глава 4. ВКР ІІРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ НОВЫХ КРИСТАЛЛОВ 139
4.1. ВКР преобразователи лазерного излучения наносекундной длительности 144
4.1.1. Одно и многопроходовые схемы ВКР преобразователей 144
4.1.2. ВКР преобразователь с дополнительным резонатором 151
4.1.2.1. ВКР преобразование излучения Nd:YAG лазера в кристалле Ва(ЫОз)2
с дополнительным резонатором 152
4.1.2.2. Исследование ВКР преобразования излучения неодимового лазера в кристалле Ba\V04 с дополнительным резонатором 162
4.1.3. Исследование работы ВКР усилителя на кристалле Ва(МОз)2 165
4.2. Рассеяние пикосекундных импульсов в ВКР кристаллах 173
4.2.1. Рассеяние пикосекундных импульсов при ВКР в кристалле Ва(МОз)2 173
4.2.2. Исследование ВКР преобразования пикосекундных лазерных импульсов в кристаллах вольфраматов 186
4.3. ВКР генерация квазинепрерывного излучения в кристалле BaW04 201
4.3.1. Особенности спектра спонтанного комбинационного рассеяния кристалла BaW04 201
4.3.2. ВКР генерация квазинепрерывного излучения накачки в кристалле
BaW04 в первую Стоксову компоненту 203
4.3.3. Особенности генерации второй Стоксовой компоненты в ВКР лазере
на кристалле BaW04 208
4.4. Искусственная натриевая звезда для адаптивной астрономии на основе Nd3f:rrr лазера и ВКР преобразователя на кристалле BaW04 211
4.4.1. Использование ВКР преобразования для создания источника возбуждения искусственной натриевой звезды 220
4.4.2. Лазер накачки на кристалле ГГГ:Nd3+ 225
4.4.3. Генерация лазерной системы на nT:Nd3+ и BaWÜ4 с удвоением
частоты на длине волны 589.0 нм 228
4.5. Выводы к главе 4 232
Глава 5. ВКР ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ НОВЫХ КРИСТАЛЛОВ 236
5.1. Внутрирезонаторное ВКР преобразования излучения неодимовых лазеров
3
в новых нелинейных кристаллах в ближнем ИК спектральном диапазоне
5.1.1. ВКР лазер на кристалле Ва(ТЮз)2С накачкой излучением Ыс1'*:УАС лазера (1064 мкм)
5.1.2. ВКР лазер на кристалле Ва(МОз)2с накачкой излучением 1.3 мкм ИсЕ^УЛО лазера с пассивной модуляцией добротности У'+:УАО и Ш2':8гЕ2 фототропными затворами
5.1.3. ВКР лазер на кристалле Ва\У04 с накачкой КсТУАО лазером, работающий в безопасном для глаз спектральном диапазоне
5.1.4. Лазер на Мс1:УУ04 с внутрирезоиаторным ВКР в кристалле Ва\У04 с высокой средней мощностью на длине волны 1536 нм
5.2. Спектрально-люминесцентные и генерационные исследования ВКР активных кристаллов, активированных ионами неодима
5.2.1. Спектрально люминесцентные и генерационные свойства кристаллов 8г\У04, активированных ионами Ы(Г+ . Создание ВКР лазера на их основе.
5.2.2 Спектрально-люминесцентные свойства ионов ЫсК" в кристаллах Ва\У04. Исследование лазерной генерации в кристалле Ва\У04:Ш,+ и создание ВКР лазера на его основе.
5.2.3 Спектроскопические свойства кристаллов БгМоОфМ3’ и исследование ВКР лазера на кристалле ЬгМо04:Н(13, работающего в ближнем ИК спектральном диапазоне.
5.3. Выводы к главе 5
236
238
240
243
247
254
254
287
301
306
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЦИ ТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
309
311
312
АББРЕВИАТУРЫ, использованные в тексте диссертации:
KP - комбинационное рассеяние
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние
IIJI3 - пассивный лазерный затвор
ІІІГК - щелочно галлоидные кристаллы
ЦО - центр окраски
ИК -инфракрасный
УФ - ультрафиолетовый
ФЭУ - фотоэлектронный умножитель
YAG - иттрий алюминиевый гранат
ГГГ - галлий гадолиниевый гранат
FWHM - полная ширина на полувысоте
DOF - длина перетяжки
5
Введение
Актуальность работы. Развитие современной лазерной физики, широкое использование лазерных систем для решения научных и практических задач требует разработки и создания полностью твердотельных компактных, высокоэффективных источников лазерного излучения, работающих в новых спектральных диапазонах. Для многих применений необходимы спектрально позиционированные источники лазерного излучения, работающие на конкретных длинах волн. Для медицинских, лидарных и специальных применений требуются лазеры, работающие на длинах в безопасном для глаз спектральном диапазоне. Поэтому создание источников когерентного лазерного излучения на новых длинах волн, в новых спектральных диапазонах является актуальной задачей современной лазерной физики, как с научной, так и с практической точки зрения.
В настоящее время существуют несколько путей создания полностью твердотельных лазерных систем в новых спектральных областях:
• Поиск новых активных лазерных сред; получение генерации на новых частотах с использованием уже известных лазерных материалов; использование новых матриц, активированных традиционными лазерно-активными примесными ионами.
• Использование нелинейного преобразования частоты лазерного излучения уже имеющихся, доступных лазерных источников, включая параметрическое преобразование света, генерацию кратных, суммарных и разностных частот.
• Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) излучения уже имеющихся, хорошо разработанных лазерных систем.
Поиском новых активных лазерных материалов занимаются многие десятки научных коллективов во всем мире. Хорошая лазерная среда должна обладать не только соответствующими спектральными свойствами, позволяющими создать инверсию населенности и получить лазерную генерацию, но и хорошими физико-техническими и оптическими характеристиками, быть технологичной, дешевой в изготовлении и эксплуатации, надежной и эффективной. К настоящему времени создано лишь считанное количество твердотельных сред, в основном кристаллы и стекла, активированные примесями редкоземельных и переходных металлов, на которых работает большинство промышленно выпускаемых лазерных систем на определенных длинах волн.
Преобразование длины волны излучения путем параметрической генерации, удвоения и утроения частот, генерации суммарных и разностных частот позволяет использовать уже имеющиеся, хорошо разработанные источники лазерного излучения. Однако, в данном случае основной проблемой является поддержание условий фазового синхронизма для эффективного преобразования частоты. При этом уход условий синхронизма может
6
происходить как за счет механических возмущений системы, так и за счет изменения температуры нелинейного элемента при тепловом нагреве излучением или при изменении условий окружающей среды.
Сдвиг частоты в процессе ВКР определяется внутренней структурой среды. Рассеяние в стоксовы компоненты нс требует выполнения условий фазового синхронизма. Кроме того, за счет нелинейной природы взаимодействия возбуждающего и рассеянного излучения, ВКР позволяет улучшать пространственное и угловое распределение излучения в лазерных системах.
Исследование ВКР активных кристаллов и создание на их основе ВКР преобразователей является актуальной задачей как с точки зрения расширения фундаментальных представлений о динамике кристаллической решетки, так и с точки зрения создания спектрально позиционированных источников лазерного излучения на новых длинах волн.
Цслыо диссертационной работы являлось исследование процесса ВКР генерации в кристаллах, разработка методики поиска высокоэффективных ВКР активных сред, исследование процессов релаксации возбуждения фононов в ВКР активных кристаллах и разработка ВКР преобразователей и ВКР лазеров для получения лазерного излучения в новых спектральных диапазонах.
В рамках этого основною направления решаются следующие основные задачи:
1. Исследование спектральных и временных параметров ВКР активных мод в кристаллах методами спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния (КР), ВКР усиления и когерентного антистоксова рассеяния света (КЛРС), измерение интегрального и пикового сечений КР, зависимостей спектральной ширины и частоты, времени релаксации от температуры.
2. Создание методики поиска высокоэффективных ВКР активных кристаллов по спектрам спонтанного КР. Исследование зависимости стационарного и нестационарного коэффициента ВКР усиления от спектральных параметров ВКР активных мод. Анализ взаимосвязи параметров ВКР активных мод, химического состава кристалла, его кристаллической структуры.
3. Установление механизмов релаксации возбуждения ВКР активных мод в кристаллах с анионными комплексами.
4. Получение и исследование ВКР в кристаллах вольфраматов и молибдатов с шеелитовой структурой при возбуждении нано, пико и субмикросекундными лазерными импульсами. Измерение коэффициентов ВКР усиления в них.
7
5. Создание ВКР преобразователей, использующих одно- и много проходные схемы или дополнительный резонатор, с возбуждением пико-, нано- и субмикросекундными лазерными импульсами.
6. Получение лазерного излучения в безопасном для глаз спектральном диапазоне путем ВКР преобразования излучения стандартных неодимовых лазеров.
7. Разработка источника лазерного излучения на основе Ыб3+:ПТ лазера и ВКР преобразователя на кристалле Ва\У04 для создания искусственной натриевой звезды для адаптивной астрономии.
8. Создание высокоэффективного лазера высокой средней мощности с внутрирезонаторным ВКР преобразователем на кристалле Ва\У04 для безопасного для глаз спектрального диапазона.
9. Исследование спектрально люминесцентных характеристик ионов N<1,+ в кристаллах Ва\У04, 8г\\,т04 и 8гМо04. Получение генерации в ВКР лазере на кристаллах Ва№'04:К!сГ*, ЗгШО^Ш34 и 8гМо04:К(1^ с ВКР самопреобразованием лазерного излучения в самой активной лазерной среде.
Научная новизна результатов, составляющих содержание диссертации, заключается в следующем:
Разработана методика поиска высокоэффективных ВКР активных материалов, исходя из спектров спонтанного КР кристалла, его химического состава и кристаллической структуры. Показано, что величины пикового и интегрального сечений КР ВКР активной моды определяют перспективность нелинейной среды для стационарною и нестационарного ВКР преобразования.
При помощи разработанной методики предложены новые ВКР активные кристаллы Ва\\Ю4, 8г\У04 и 8гМо04. Впервые получено эффективное ВКР преобразование на этих кристаллах при возбуждении пико-, нано- и субмикросекундными лазерными импульсами.
Установлено, что в кристаллах Ва(ЫОз)г и РЬ(КОз)г из-за большого энергетического зазора между внутренними КР модами и решеточными колебаниями отсутствуют трехфононные механизмы релаксации для ВКР активной моды. Релаксация ВКР активной Ае(У|) моды при низкой температуре описывается четырехфоионным процессом распада на три иизкоэнергетичных фонола, который имеет меньшую вероятность, чем трехфононный, что приводит к меиьшей вероятности этого процесса и обуславливает высокий коэффициент ВКР усиления в этих кристаллах.
Установлена зависимость спектральной ширины ВКР активной моды от особенностей кристаллической решетки и типа катиона в ряду кристаллов вольфраматов и молибдатов с
8
шеелитовой структурой. Тяжелый катион с большим ионным радиусом и большое межионное расстояние в решетке приводят к низкой вероятности релаксационных процессов в кристаллах Ва\У04 и ВаМо04 и высокому коэффициенту ВКР усиления в них.
Впервые предложена методика измерения порога ВКР генерации и коэффициента ВКР усиления за один лазерный импульс при использовании цуга пикосскундных импульсов с плавно изменяемой амплитудой.
Впервые путем ВКР преобразования излучения стандартных неодимовых лазеров, работающих на длинах волн в области 1,06 и 1,3 мкм, получено лазерное излучение в безопасном для глаз спектральном диапазоне.
Впервые предложен и продемонстрирован источник лазерного излучения на основе задающего генератора на кристалле Ыс13+:ГГГ и ВКР преобразователя на кристалле Ва\У04 для создания искусственной натриевой звезды для целей адаптивной астрономии.
Разработан компактный ВКР лазер с выходной мощностью 0,6 Вт, работающий на длине волны 1536 нм, состоящий из задающего генератора на кристалле Ыс1:У\Ю4 и внутрирезонаторного ВКР преобразователя на кристалле Ва\У04.
Впервые получена генерация в ВКР лазерах на кристаллах Ва\¥04:Ктс1‘", 8г\\Ю4:Ыс1',+ и 8гМо04:Ш3+ при накачке излучением александритового лазера и газоразрядной лампы с ВКР самонреобразованисм лазерного излучения в самой активной лазерной среде с пассивной модуляцией добротности кристаллом ЬіР с Р2‘ ЦО.
Впервые в ВКР лазере на кристалле 5гМо04:МсР‘ с пассивным лазерным затвором на УАв: Vі4 при накачке излучением александритового лазера получено лазерная генерация на переходе 4Рз/2—>4ііз/2 и ВКР самопрсобразование излучения в безопасный для глаз спектральн ый диапазон.
Научная и практическая значимость работы:
Установленные закономерности зависимости коэффициента ВКР усиления от КР параметров ВКР активных мод позволили упростить методику поиска эффективных ВКР кристаллов. Данные спектроскопии спонтанного КР дают информацию о величине стационарного и нестационарного коэффициента ВКР усиления и указывают на оптимальные условия использования конкретного кристалла для ВКР. Разработанная методика измерения порога ВКР генерации и коэффициента ВКР усиления за один лазерный импульс при использовании цуга пикосскундных импульсов с плавно изменяемой амплитудой, существенно сокращает продолжительность проведения лазерных экспериментов и повышает их точность.
9
На основе новых ВКР активных кристаллов Ва\У04, 8г\У04 и 8гМо04 предложены высокоэффективные ВКР преобразователи и ВКР лазеры, дающие пико-, нано- и субмикросскундиые лазерные импульсы, которые могут быть использованы в лазерных системах, работающих в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах. Созданный типоряд ВКР лазеров на кристаллах Ва\¥04:Кс1Л+, 8г\У04:Ыс13" и 8гМо04:Ш3+ с ВКР самопреобразованием лазерного излучения в самой активной лазерной среде позволяет создать современные компактные полностью твердотельные источники лазерного излучения на новых длинах волн, в том числе в безопасном для глаз спектральном диапазоне.
Основные положения н результаты, выносимые на защиту:
1. Методика поиска новых высокоэффективных ВКР активных материалов, исходя из анализа спектра спонтанного КР.
2. Высокий коэффициент стационарного ВКР усиления в кристаллах Ва(ЫОз)г и РЬ(ЫОз)2, узкие спектральные ширины ВКР активных мод обусловлены отсутствием трехфононных процессов релаксации в кристалле вследствие больших энергетических зазоров между внутренними КР модами и решеточными колебаниями.
3. Большие масса и радиус катиона Ва2+, большое межионное расстояние в кристаллах Ва\ТО4 и ВаМо04 обуславливают узкие ВКР активные Ав (у|) моды в этих кристаллах и высокий стационарный коэффициент ВКР усиления.
4. Кристалл Ва\У04, обладающий высоким пиковым и интегральным сечениями КР, позволяет получать эффективное ВКР преобразование пико-, нано- и субмикросекундных импульсов лазерного излучения в видимой и ближней ИК спектральных областях.
5. Твердотельный лазер желтого спектрального диапазона, на основе неодимового лазера накачки на кристалле N6 +:ГГТ, ВКР преобразователя частоты излучения на кристалле ВаАУ04 и удвоителя частоты, позволяет осуществить резонансное возбуждение переходов 328,/2 —> 32Рз/2, 32Р1/2 атомов натрия.
6. Компактный ВКР лазер на кристалле Ыс1:УУ04 с накачкой лазерным диодом, акустооптическим затвором и внутрирезонаторным ВКР преобразователем на кристалле Ва\У04 дает излучение на длине волны 1536 нм с выходной мощностью 0,6 Вт и дифференциальным КПД преобразования излучения лазерного диода в стоксовое 44%.
7. Впервые получена лазерная генерация в кристаллах Ва\\Ю4:ЫсР\ 8г^У04:К(Т' и $гМо04:К,с]'’ на оптическом переходе 4Рз/2->41ц/2 в режимах свободной генерации и модулированной добротности при возбуждении импульсным лазером на кристалле александрита. В лазере на кристалле 8г\\/04^б^ достигнут дифференциальный КПД преобразования, равный 46%, при возбуждении излучением александритового лазера.
10
8. DKP лазер на кристалле SrMoO^Nd’4 с пассивным лазерным затвором на YAG:V'~ при накачке излучением александритового лазера дает лазерное излучение в безопасном для глаз спектральном диапазоне за счет генерации ионов Nd3+ на оптическом переходе 4Рз/2->41|3/2 и ВКР самопреобразования.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института общей физики им. А.М. Прохорова РАИ (Москва, Россия), физического факультета университета провинции Шандонг (Цзинань, Китай), факультета естественных наук университета Пуэрто Рико в Майягуэзе, (Пуэрто Рико, США), физического факультета университета штата Ныо Мексика (Альбукерке, США).
Материалы диссертации обсуждались на международных конференциях: Advanced Solid State Lasers, ASSL-2002 (Квебек, Канада), Advanced Solid State Photonics, ASSP-2004 (Санта Фс, США), International Conference on Material Sciences and Solid State Physics, MSCMP-2004, MSCMP-2006 (Кишинев, Молдова), International Conference on Nonlinear Optics, ICONO/LAT 2005 (Санкт Петербург), International Conference «Photonics Prague-2002» (Прага, Чехия), Международная конференция «Лазерная физика и применения лазеров-2003» (Минск, Беларусь), «Оптика лазеров 2003 и 2006» (Санкт Петербург), International conference Photonics West, LASE 2006 (Сан Хосе, США), Conference on Lasers and Electro Optics, CLEO/Europe-2001 и CLEO/Europe-2007 (Мюнхен, Германия), International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, CAOL-2003 (Алушта, Украина), CAOL-2005 (Ялта, Украина), CAOL-2008 (Алушта, Украина), International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena, ICPPP-2009 (Левен, Бельгия), International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, ISSSMC-2009 (Береговое, Украина), International Conference on Phonons, Phonon-2007 (Париж, Франция), Phonon-2010 (Тайпсй, Тайвань), Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии», ЛФиОТ-2008 (Минск, Беларусь), International Conference on Raman spectroscopy, ICORS-2010 (Бостон, США). Результаты работы докладывались на Национальной конференции по росту кристаллов, НКРК-2002, 2010 (Москва), Всероссийских конференциях «Нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», BMI ПЛ-2007, 2008,2009, 2011 (Саранск).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 работы (выделены жирным шрифтом в списке литературы), из которых: 27 работ опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, [22-24, 28, 41, 60, 62, 63, 66, 69-71, 86, 89, 90, 111, 118, 123, 127, 135, 150, 151, 190, 191, 194, 197, 217J; получено 2 патента [64,
И
151]; 25 работ опубликованы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций [52,90, 110, 113, 116, 117, 119, 124, 126, 128-131, 145, 150, 176, 192, 193, 195-197,215,216,219,221].
Диссертационная работа выполнена в лаборатории лазерной спектроскопии твердого тела отдела лазерных материалов и фотоники Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики им. Л.М. Прохорова РАН. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ № 98-02-16523-а, № 02-0281003-Бел2002-а, № 03-02-17309-а, №06-02-16339-а, руководителем которых являлся автор, а также при частичной финансовой поддержке Минобрнауки РФ (гос. контракт № 16.513.12.3019), проектов МНТЦ №2022, СПП РАН.
Личный вклад автора.
Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, правильно отражают личный вклад автора. Все основные результаты работы получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Часть экспериментальных исследований по ВКР пикосекундных импульсов выполнена совместно с м.н.с. Чунаевым Д.С.. Часть работ по измерению спектров спонтанного КР кристаллов была выполнена совместно с в.н.с. Соболем А.А.. Основные работы выполнены в соавторстве с сотрудниками Институга общей физики РАН, а также в творческом содружестве с зарубежными коллегами, которые принимали участие и оказывали помощь в проведении отдельных исследований. Во всех случаях использования результатов других исследований в диссертации приведены ссылки на источники информации.
Объем и содержание работы. Объем диссертации составляет 328 страницы, включая 211 рисунков, 51 таблицу и список литературы из 223 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка цитированной литературы. Каждая глава заканчивается выводами.
Первая »лапа является обзорной. В ней дана краткая историческая справка о процессах КР и ВКР. Приводятся основные зависимости, описывающие стационарный и нестационарный режим ВКР, коэффициент ВКР усиления и его зависимость от длительности импульса накачки. Отмечены достоинства кристаллических сред для ВКР, в частности, большая концентрация рассеивающих центров, хорошие тсплофизические свойства, большой спектр стоксовых сдвигов и широкая область прозрачности. Приведены различные схемные решения твердотельных ВКР преобразователей, включая одно и много проходные
12
схемы, схема с дополнительным резонатором, внутрирезонаторное преобразование в ВКР лазере. В главе обосновывается основная цель настоящей работы - поиск новых высокоэффективных ВКР активных кристаллов и создание ВКР преобразователей и ВКР лазеров на их основе.
Вторая глава посвящена разработке методики поиска новых ВКР активных кристаллов. В параграфе 2.1 приведены результаты исследования спектров спонтанного КР ВКР активных мод нескольких десятков кристаллов, установлены закономерности величин интегрального и пикового сечений КР в зависимости от кристаллографической структуры и химического состава кристаллов. Выделены кристаллы РЬМо04, РЬ\У04, ЫЫЬОз, ТсОг, простых и двойных вольфраматов и молибдатов, 0с1У04 и УУ04, обладающие высокими значениями интегрального сечения комбинационного рассеяния. Определены новые ВКР активные кристаллы Ва\У04, 8г\У04, 8гМо04, 0с1У04 и УУ04, которые являются универсальными кристаллами для эффективного ВКР, так как они обладают высокими значениями интегрального и пикового сечений КР, что позволяет им хорошо работать как в стационарном режиме ВКР при возбуждении наносекундыыми лазерными импульсами, так и в нестационарном при возбуждении импульсами с длительностью десятки пикосекунд. В параграфе 2.2 приведены резулЕ>таты экспериментального измерения стационарного коэффициента ВКР усиления при возбуждении ВКР импульсами наносекундной длительности в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах. Определены коэффициенты ВКР усиления в новых кристаллах Ва\У04, 8г\У04, РЬ\У04, которые сравниваются с известными ВКР кристаллами Ва(МОз)г, КСб(\У04)2. Проведено исследование коэффициента ВКР усиления в кристалле Ва\У04 в зависимости от длины волны падающего света. В параграфе 2.3 предложена методика измерения порога ВКР генерации и коэффициента ВКР усиления за один лазерный импульс при использовании цуга пикосекундных импульсов с плавно изменяемой амплитудой. Измерены нестационарные коэффициенты ВКР усиления в кристаллах при возбуждении пикосекундными импульсами. Показано хорошее соответствие стационарных и нестационарных коэффициентов ВКР усиления с учетом степени нестационарности процесса ВКР, определяемым отношением времени поперечной релаксации ВКР активного фонона к длительности пикосекундного импульса лазерного возбуждения.
В третьей главе проведено исследование фонон-фононного и фонон-решеточного взаимодействия в ВКР активных кристаллах. В параграфе 3.1 рассмотрены особенности спектров спонтанного КР кристаллов с анионными комплексами. Установлено, что внутренние колебания, локализованные в анионных комплексах (ЫОз)‘, (\\'г04)'2, (Мо04)’2, (У04)':>, имеют слабое взаимодействие с другими внутренними и внешними, решеточными
13
фононами. Показано, что релаксацию возбуждения в них можно описать суммой различных релаксационных процессов. Параграф 3.2 посвящен исследованию релаксации фононных возбуждений в кристаллах Ва(МОз)2 и РЬ(МО})2. Определены основные механизмы релаксации возбуждения для \'і, уз и у4мод в кристалле Ва(КОз)г. Установлено, что для ВКР активных Л8(У|) мод в кристаллах из-за больших энергетических зазоров отсутствуют трехфононные механизмы распада на два фонона. Исследован сдвиг частоты КР мод в кристаллах, определены параметры Грюнайзена для различных мод. В параграфе 3.3 проведено исследование спектров спонтанного КР ВКР активных мод в кристаллах вольфраматов и молибдатов с шеелитовой структурой Ме\\г04 и МеЬЛоО* (Ме = Са, 8г, Ва, РЬ) в температурном интервале от 10К до 1800К. Это позволило выявить закономерности энергетических диаграмм комбинационных мод, параметров ВКР активні,їх А» мод в зависимости от массы и размера катионов. Результаты показали, что совмещение тяжелого катиона, с большим ионным радиусом и большого межионного расстояния в решетке приводят к низкой вероятности релаксационных процессов в кристаллах Ва\У04 и ВаМо04, узким ВКР активным У|(Аё) модам в этих кристаллах (1.6 см'1 и 2.2 см'1) и высокому значению коэффициента ВКР усиления в них при комнатной температуре. Отдельно рассмотрены кристаллы СаМо04 и РЬМоОд, в которых проведен анализ спектров спонтанного КР и определены преимущественные каналы релаксации ВКР активных мод. В параграфе 3.4 проведен анализ причин, приводящих к изменению температуры ВКР активных лазерных элементов, влияющих на стабильность их нелинейных параметров. Показано, что изменение температуры нелинейного кристалла изменяет частоту выходного стоксова излучения и коэффициент ВКР усиления. Исследованы температурные зависимости параметров ВКР активных мод в кристаллах нитратов, вольфраматов, молибдатов, ванадатов от температуры.
Четвертая глава посвящена различным схемным решениям одно- и многопроходных ВКР устройств, ВКР преобразователен с дополнительным резонатором и экспериментальному исследованию ВКР при возбуждении нано-, пико- и субмикросекундными лазерными импульсами. Обсуждаются достоинства и недостатки различных схем ВКР преобразователей. В параграфе 4.1 рассмотрены одно и многопроходовые схемы кристаллических ВКР преобразователей на кристаллах Ва\\/’04, Ва(МОз)2, К0с1(\У04)2. Установлено, что основной проблемой таких систем является оптический пробой кристаллов из-за необходимости повышения плотности мощности для достижения порога ВКР. ВКР генерация в дополнительном резонаторе позволяет снизить пороговую плотность мощности накачки. В параграфе 4.2 проведены исследования ВКР пикосекундных лазерных импульсов в кристаллах Ва(МОз)2, Ва\У04. Показано, что большое
14
время релаксации в кристалле Ва(ЫОз)2 приводит к сильно нестационарному режиму ВКР генерации при возбуждении импульсами длительностью 20 пс и, соответственно, повышению пороговой плотности мощности накачки. Исследовано внеосевое рассеяние при ВКР генерации в кристалле Ва(МОз)2: конусы второй и третьей стоксовых компонент, антистоксовой компоненты, конуса поглощения, которые хорошо согласуются с дисперсионными зависимостями кристалла и являются результатом четырехфотонных процессов, происходящих при ВКР. Представлены результаты ВКР пикосекундных импульсов в кристалле Ва>\Ю4. Установлено, что для импульсов длительностью 28 пс при переходе к нестационарному режиму коэффициент ВКР усиления в кристалле Ва\\;04 получается больше, чем в КСк1(\У04)2 и Ва(ЫОз)2. Экспериментальные исследования методом Z-scan нелинейного показателя преломления в кристаллах Ва\У04 и Ва(ЫОз)2 при использовании пикосскундных импульсов показали, что нелинейность в обоих кристаллах имеет положительный знак, что может приводить к самофокусировке излучения при высоких интенсивностях накачки. В параграфе 4.3 представлены результаты по созданию ВКР преобразователя квазинепрсрывного лазерного излучения на основе нового кристалла Ва\\'04. Показана высокая эффективность ВКР преобразователя на кристалле Ва\У04. Обнаружен сложный спектральный состав излучения на выходе ВКР лазера на кристалле Ва\У04 свидетельствующий о существовании различных комбинаций Стоксовых сдвигов в рассеянном излучении с участием двух комбинационных мод Ля(V/) (925 см'1) и А^(\ь) (332 см'1). В параграфе 4.4 экспериментально продемонстрирован новый лазерный источник, который может быть использован для возбуждения атомов натрия в верхних слоях атмосферы для целей адаптивной астрономии, на основе задающего генератора на крисгапле Ш3*:ГТГ и ВКР преобразователя на кристалле Ва\\;04. Предложены два подхода к получению требуемой длины волны: первый вариант - генерация задающего лазера (1062.1 нм), ВКР преобразование в первый стоке (1177.9 нм) и удвоение частоты (589.0 нм) и второй вариант - задающий лазер (1062.1 нм), удвоение частоты (531.05 нм) и преобразование во вторую стоксову компоненты (589.0 нм). Эксперименты показали высокую эффективность преобраювания в обоих случаях с возможностью точной подстройки длины волны генерации.
В пятой главе рассмотрены перспективные пути создания ВКР лазеров, использующих внутрирезонаторное ВКР преобразование, как в дополнительном нелинейном кристалле, так и при ВКР самопреобразовании излучения в самой активной лазерной среде. В параграфе 5.1 исследована работа компактного лазера высокой средней мощности, работающего на длине волны 1536 нм, включающего кристалл ІМсРУУОд с накачкой лазерным диодом, акустооптический затвор и внутрирезонаторный ВКР преобразователь на кристалле Ва\У04.
15
В параграфе 5.2 исследованы спектрально кинетические и генерационные свойства кристаллов Ва\У04, Вги'О., и ЗгМоО-*, активированных ионами 1Чб3+. Показано, что неодимовые лазеры на кристаллах Вг\\,'04:ЫсЗ '' и 8гМо04:Ы(Гг дают излучение в области 1,06 и 1,3 мкм с высокой эффективностью преобразования при накачке излучением лазерных диодов, александритового лазера, газоразрядных ламп, а также могут быть использованы для ВКР самопреобразования лазерного излучения в самой активной лазерной среде.
Заканчивается диссертационная работа формулировкой основных результатов и выводов, заключением и списком цитируемой литературы.
16
ГЛАВА 1. ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ В КРИСТАЛЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Явление вынужденного комбинационного рассеяния света
Комбинационное рассеяние (КР) или спонтанное КР было независимо и одновременно открыто в 1928 г. российскими учеными Лансбергом и Мандельштамом в кристаллах [1] и индийскими учеными Раманом и Кришнаном в жидкостях [2] В иностранной литературе этот процесс часто называют Рамановским рассеянием (Raman scattering) по имени одного из первооткрывателей.
КР это двухфотонный процесс. Па рисунке 1 схематично изображен этот процесс: падающий фотон исчезает, а фотон с новой частотой рождается. КР - неупругое рассеяние света, после рассеяния среда переходит в другое энергетическое состояние. Когда рождается рассеянный фотон с меньшей энергией или частотой, то говорят о рассеянии в стоксову область или стоксовом рассеянии. Сдвиг частоты при КР определяется характеристическими частотами среды. Это проиллюстрировано на рисунке 2(A). Обозначим частоту возбуждения среды (Оц, тогда частота рассеянного стоксова излучения будет равна cos = col - где а)/. -частота падающего лазерного излучения. Таким образом, стоксово рассеяние при КР приводит к переходу среды из основного, невозбужденного состояния в возбужденное за счет исупругого рассеяния. Внутреннее возбуждение среды может включать переход в возбужденное колебательно-вращательное состояние, возбуждать решеточные колебания и др. КР наблюдается в газах, жидкостях, твердых телах и плазме.
Рисунок 1. Схематическое изображение процессов спонтанного комбинационного рассеяния (А) и вынужденного комбинационного рассеяния (Б).
(А)
(Б)
17
Если среда изначально находится в возбужденном состоянии, (например, за счет теплового возбуждения) как показано на рисунке 2(Б), то рассеянный фотон может обладать большей энергией или частотой и называется антистоксовым фотоном, а рассеяние -антистоксовым. Вероятность антистоксова рассеяния меньше, чем вероятность стоксова рассеяния на коэффициент ехр{-Нб)р/кцТ}у где к# - постоянная Больцмана и Т - температура. Поскольку обычно Исоц « каГ. то в спонтанном КР преобладает стоксово рассеяние.
і
1
0)1. 0)3 (01 СОлЗ
'
'1 1 1 .1 <
^ >
(А) (Б)
Рисунок 2. Энергетическая диаграмма стоксова (А) и антистоксова (Б) комбинационного рассеяния.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) включает взаимодействие со средой двух фотонов: фотонов накачки и стоксова, как представлено на рисунке 1(Б). В результате на выходе генерируется дополнительный стоксов фотон когерентный с падающим стоксовым фотоном. Таким образом, наблюдается усиление интенсивности ноля на стоксовой частоте. При ВКР, также как и при спонтанном КР, среда переходит в возбужденное состояние.
Вообще говоря, ВКР - это процесс генерации исключительно стоксовых фотонов. Однако на практике при ВКР может наблюдаться заметная генерация когерентных антистоксовых фотонов, а также высших стоксовых компонент. Это отличает процесс ВКР от спонтанного КР, что может быть объяснено в терминах нелинейности третьего порядка с учетом процесса взаимодействия четырех воли, только световых, без участия фононов. Известно, что параметрическое взаимодействие может наблюдаться с частотным сдвигом отличным от характеристических частот КР среды. С этой точки зрения это не есть процесс
комбинационного рассеяния, так как вещество в этом процессе не меняет своего состояния.
18
Поэтому еще в 60-е годы возникла дискуссия - что же конкретно понимать под ВКР? Достаточно аргументированной была точка зрения, что ВКР есть весь комплекс явлений, наблюдающихся при облучении рассеивающего вещества лазерным излучением. То есть ВКР включает в себя некогерентную часть вынужденного рассеяния в стоксовы компоненты всех порядков, не требующего фазового синхронизма, а также процессы когерентной генерации антистоксовых компонент с разностью частот, соответствующей ВКР.
В общей теории комбинационного рассеяния света, разработанной Плачеком еще в тридцатых годах, вскоре после открытия КР [3], уже было заложено описание вынужденного КР. Однако для экспериментального наблюдения ВКР необходимы высокие плотности излучения, что стало возможным только после создания лазеров.
Впервые ВКР было экспериментально обнаружено в 1962 году [4]. Вудбери и Нг [4] проводили эксперименты но исследованию модуляции добротности рубинового лазера (^=694 нм) при помощью ячейки Керра, заполненной нигробензолом, и исследовали спектральный состав его излучения. При спектральном анализе излучения, выходящего из лазера, они обнаружили дополнительную частотную компоненту с длиной волны 767 нм. При этом частотный сдвиг совпал с частотой самой сильной комбинационной моды нитробензола (<У/? = 1345 см'1). Позднее Вудбери и Экхард [5] высказали предположение, что появление ИК компоненты связано с ВКР в нитробензоле на комбинационной частоте 1345 см'1. Говоря современным языком, наблюдаемое излучение было обусловлено внутрирезонаторным ВКР преобразованием излучения рубинового лазера в ячейке с нитробензолом. В дальнейшем аналогичные явления со сдвигом частоты лазерного излучения наблюдалось и исследовалось в различных жидкостях, газах, кристаллах, расположенных не только внутри, но и вне резонатора лазера, и была подтверждена взаимосвязь сдвига частоты с ВКР.
Первое теоретическое описание ВКР было дано Хеллуортом [6], который рассматривал
его как двухфотонный процесс и проделал его полный квантовомеханический расчет. Им
было установлено, что ВКР носит пороговый характер, была установлена взаимосвязь
инкремента усиления и ссчсния КР в среде. Однако простая квантовая теория не могла
объяснить происхождение наблюдаемой в эксперименте антистоксовой компоненты
излучения, интенсивность которой часто столь же высока, как и интенсивность стоксовой
компоненты. В серии работ Н. Бломбсргсна, Р.В. Хеллварса, Ч. Таунса, С.А. Ахманова, Р.В.
Хохлова, В.Н. Лугового, II.А. Апанасевича и их сотрудников были заложены основы теории
ВКР на основе представлений нелинейной оптики, метода связанных волн, которые смогли
объяснить не только генерацию антистоксовой компоненты, но и генерацию высших
стоксовых и антистоксовых компонент [7-13]. В работах М. М. Сущинского с соавторами
19
[14, 15] были изучены основные закономерности ВКР и, в частности, исследовано влияние ширины линии накачки на порог ВКР.
С тех пор к физике этого интересного нелинейного явления и к его применению в лазерной спектроскопии и лазерной технике привлечено повышенное внимание физиков (см. например обзоры [16-28]). Это и понятно, так как за процесс ВКР, гак же как и за процесс спонтанного КР, отвечают двухфотонные переходы в материальной среде (атомы, ионы, молекулы в газе, жидкости, стекле, кристалле). При этом резонансный характер процесса позволяет исследовать не только макроскопическое поведение вещества при взаимодействии с мощным лазерным светом, но и микрофизику отдельных атомов, ионов и молекул со своими правилами отбора, скоростями поперечной, фазовой и продольной энергетической релаксации. С прикладной точки зрения, ВКР позволяет получить мощное когерентное излучение на новых длинах волн.
Теоретические исследования ВКР [3, 5, 9, 12, 18, 19] показали, что интенсивность вынужденного стоксова рассеяния можно представить пропорциональной плотности заполнения состояний трех взаимодействующих полей: фотонов лазерной накачки (Л’/.), фотонов рождаемой стоксовой волны (Л5) и фононов или молекулярных колебаний кристалла в основном N0 или возбужденном N1 состоянии (N/<=N0 - N1):
где / - длина взаимодействия света с ВКР активной средой, /.<? - плотность мощности рассеянного излучения в Стоксову область, С - инкремент ВКР усиления. Уравнение для полного инкремента О в случае стационарного ВКР может быть записано как [19]:
Здесь - коэффициент ВКР усиления, - плотность мощности накачки. Низкие значения сечений рассеяния резонансных двухфотонных процессов поставило развитие ВКР в зависимость от разработки лазерных источников с особыми свойствами, а именно: с высокой
^~//д.^-(Л'о-^)
аг
0)
Отсюда решение для стационарного ВКР имеет простой экспоненциальный вид [9|:
Ш - Ы0)ехр(С1),
(2)
(3)
20
пиковой мощностью, когерентностью, широким спектральным диапазоном частот генерации, и определило труднодостижимые требования к ВКР активным средам, в том числе и по лучевой стойкости.
В отсутствии специальной инжекции излучения на стоксовой длине волны, ВКР развивается с уровня спонтанных шумов, который для ВКР активной моды со спектральной шириной Avr при рассеянии в пространственный угол Д£2 определяется как:
Поскольку значение интенсивности для спонтанного КР по порядку величины составляет примерно ~10'15 Вт/см2, поэтому для того, чтобы достичь порог ВКР, который традиционно определяется по уровню интенсивности стоксовой волны, равной 1% от интенсивности волны накачки, необходимо, чтобы инкремент G-gIJ = 25. При типичных для газообразных и жидких ВКР сред значениях g= 1 + 3 см/ГВт (водород g= 1.5 см/ГВт, нитробензол g — 3 см/ГВт), эго требует либо активных сред метровой длины (/ = 30-100см), либо гигаваттных плотностей мощности накачки 4>1ГВг/см2. Поиск ВКР активных сред проводился среди газообразных, жидких и твердотельных материалов.
К достоинствам ВКР сред на основе молекулярных газов (Иг, Г>2, СН4) можно отнести высокую оптическую однородность и простоту создания ВКР активной среды, большие значения частот ВКР активных колебаний, vR (2000 + 4000 см’1). Газообразные ВКР среды при рабочих давлениях имеют малую спектральную ширину ВКР активного колебания, Avr= 10'3-5- 10'1 см'1, а значит и относительно высокое значение пикового сечения комбинационного рассеяния для одной молекулы [16].
Обладая перечисленными выше преимуществами, газообразные ВКР среды имеют ряд недостатков. Во-первых, эго низкая концентрация рассеивающих частиц даже при давлениях значительно выше атмосферного, так при давлении 10 атм концентрация молекул в кубическом сантиметре составляет N<10 см' . Это требует значительного увеличения длины взаимодействия, доводя её до единиц метров и усложняя обеспечение высокой пороговой плотности возбуждающего излучения, свыше 1 ГВт/см2 по всей длине активной среды. Во-вторых, это проблема низкой теплопроводности газов, которая может быть решена путем применения сложных систем циркуляции газа, что заметно усложняет конструкцию системы, особенно работающую при высоком давлении.
К достоинствам ВКР активных сред на основе жидкостей [19, 20] относятся простота создания оптической ВКР ячейки и высокая плотность активных частиц, ~1022 см'3. Однако, при этом растет уширение колебательных резонансов, в особенности для высоких
21
температур, снижая пиковое сечение комбинационного рассеяния каждой молекулы. Но отрицательное воздействие уширения не обнуляет положительный эффект роста плотности рассеивающих частиц. В целом ВКР среды на молекулярных жидкостях обладают большим коэффициентом ВКР усилением и компактностью, по сравнению с газовыми.
К основным недостаткам жидкостных ВКР сред относятся низкая теплопроводность в сочетании с проблемами создания высокооднородных ламинарных потоков при прокачке вещества и высокое с1пМТ, приводящее к значительным термооптическим искажениям вследствие Стоксовых потерь в среде. Высокие значения нелинейного показателя преломления П2 вызывают явления самоканалирования и самофокусировки пучка накачки, уменьшая длину взаимодействия, ухудшают расходимость лазерною излучения и могут приводить к оптическому пробою среды.
Для криогенных молекулярных жидкостей (N2, О2), обладающих высокой
плотностью, малым уширением и высоким сечением рассеяния (17см/ГВт [21]), главными проблемами являются создание и поддержание низких температур в ВКР среде, теплоизоляция оптических оком и легкость образования большого количества газовых пузырьков, искажающих волновой фронт излучения накачки и стоксовых компонент.
Многих из перечисленных выше проблем можно избежать при переходе к оптическим твердым телам, и, в особенности, к кристаллам. При этом можно попытаться сохранить и усилить положительные свойства всех выше рассмотренных сред.
Высокие плотности вещества в твердом и кристаллическом состоянии (.V« Ю23 см '’) позволяют обеспечить наилучшее (наиболее компактное) взаимодействие возбуждающего света с ВКР активным веществом и высокий коэффициент усиления [22]. Высокая симметрия в расположении атомов и молекул в кристаллах препятствует разбросу частот и ширин линий (вследствие вращения, столкновений, а также флуктуаций скоростей, силовых констант и расстояний, как это наблюдается в жидкостях и газах) и обеспечивает точную настройку всех комбинационно активных частиц в резонанс. Отсутствие разброса частот, т.с. минимальное неоднородное уширение спектра комбинационных колебаний, усиливает коллективный эффект взаимодействия кристалл - лазерный свет накачки, а это проявляется в снижении порога взаимодействия, росте коэффициента усиления и эффективности ВКР преобразования.
1.2. Вынужденное комбинационное рассеяние света в твердых телах
В кристаллических средах ВКР впервые наблюдалось в алмазе, кальците и сере в 1963
году [25], а затем на синтетических кристаллах Са\\Ю4, УЫЬОз и ЫЮз [16, 20]. Однако,
низкое оптическое качество натурачьных или искусственно выращенных в 60-х годах
22
кристаллов приводило к лазерному пробою и разрушению объема и поверхности кристаллов. В результате после кратковременных экспериментов кристалл становился непригодным для дальнейшего использования, и необходимо было изготавливать новый элемент. Поэтому эксперименты по исследованию ВКР проводились, в основном, с газообразными и жидкими средами.
Среди кристаллов более 20 лег кристалл кальцита (CaCOj) являлся наиболее распространенным твердотельной средой для экспериментов по ВКР, вследствие его доступности и высокого коэффициента ВКР усиления. Энергия ВКР линии в нем составляет 1086 см'1, а ширина линии 1.2 см'1 [29-31]. Коэффициент ВКР усиления в СаСОзбыл измерен при возбуждении рубиновым лазером на длине волны 694 нм и составил 5.5 см/ГВт [32]. Первые ВКР измерения проводились в однопроходовом ВКР преобразователе. Излучение первой стоксовой компоненты распространялось вдоль оси накачки, и рассеянное излучение можно было легко сколлимировагь в такой оптической схеме. Из-за сильной дисперсии в кристаллических средах, в сравнении с газовыми, вторая и высшие стоксовы и антистоксовы компоненты при двухфотоином возбуждении (накачка + 1-й стоке) имели конусообразную структуру. Углы этих конусов изменялись в кристалле кальцита для различных компонент от 1 до 5 градусов и определялись геометрией четырехфотонных процессов [33. 34]. Агаев и Луговой [34] отмечали, что из-за высокого коэффициента ВКР усиления в кристалле кальцита, даже слабого отражения от торца кристалла может быть достаточно для создания резонаторного эффекта для ВКР преобразования.
В 1967 году было исследовано угловое распределение ВКР излучения из кристалла алмаза, в котором частотный сдвиг составляет 1332 см'1, максимальный ВКР активный частотный сдвиг среди неорганических кристаллических сред [35]. При возбуждении рубиновым лазером с модулированной добротностью с пиковой мощностью 2 МВт наблюдалось излучение в первую и вторую стоксовы и три антистоксовы компоненты в кристалле длиной 2.2 мм. Первая стоксова компонента распространялась в основном вдоль оси накачки. Для второй стоксовой и антистоксовых компонент наблюдалась конусообразное распределение, аналогичное распределению, наблюдаемому в [33], что находилось в соответствии с фазовыми условиями для четырехфотонных процессов.
Поиск новых активных и нелинейных твердотельных сред для лазерных систем, разработка новых технологий их выращивания и обработки позволили значительно повысить оптическую стойкость кристаллов. В 1977 г. при исследовании параметрической генерации в кристаллах ЫЮз и НЮз авторы [36] обнаружили ВКР в качестве нелинейного процесса, сопутствующего и конкурирующего с параметрической генерацией. Позднее Amman с соавторами [37] сообщили о создании первого высокоэффективного ВКР преобразователя на
23
кристалле иЮз и получили преобразование излучения неодимового лазера с эффективностью свыше 70%.
В 1980 году было получено эффективное ВКР преобразование в синтетических кристаллах нитратов бария, натрия и свинца [38]. Это кристаллы с анионными комплексами, которые обладают узкой, изолированной и интенсивной комбинационной линией, необходимой для получения эффективного ВКР. Эти интенсивные моды соответствуют внутренним симметричным колебаниям внутри (Г'Юз)'1 анионных комплексов. В работе [38] наблюдалось ВКР от Мс1'и:УЛО лазера с длиной волны 532 нм с суммарной эффективностью 26%, 20%, 17% и 14% одновременно в первую и вторую стоксовы компоненты в кристаллах Ва(1МОз)2, РЬ(ЫОз)2, ЫаКОз и СаСОз, соответственно. Синтетический кристалл нитрата бария Ва(МОз)2, выращенный из водного раствора, обладай высокой оптической однородностью и лучевой стойкостью. Он обладает рекордным стационарным коэффициентом ВКР усиления. До настоящего времени он остается одним из наиболее эффективных ВКР кристаллов. В качестве его недостатка можно отметить, что он воднорастворимый кристалл, поэтому он мягок, пластичен и гигроскопичен. ВКР преобразователи на Ва(ЫОз)2 позволили продвинуться от частоты накачки в стоксову (желтую и красную) область спектра путем многокаскадного преобразования [38]. Однако, ВКР преобразователи в видимой области спектра не нашли широко применения, так как им сложно было конкурировать с лазерами па красителях, которые тоже преобразуют когерентное излучение накачки в стоксову область, но и дополнительно позволяют плавно и непрерывно перестраивать длину волны генерации в широких пределах. Другая ситуация наблюдается в ИК области спектра, где нет хороших лазерных красителей с высоким квантовым выходом, фото- и термостабилыюстыо. ВКР кристаллы обладают здесь явными преимуществами, т.к. они могут работать во всем диапазоне оптической прозрачности кристаллов от УФ (0,2-0,3 мкм) до ИК (2-5 мкм) диапазона.
В 80-х годах для ВКР был предложен кристалл калий-гадолиниевого вольфрамата, КСсК\УО.02 [39, 40]. Он значительно более прочен механически, обладает большей теплопроводностью и допускает активацию редкоземельными лазерными ионами. Но его лазерная прочность и коэффициент ВКР усиления оказались ниже, чем в кристалле Ва(]МО})2. Тем не менее, это не помешало его широкому использованию для ВКР в пикосекундных лазерных системах.
В последнее время шел интенсивный поиск новых высоко эффективных нелинейных кристаллов для ВКР, разработка ВКР преобразователей и ВКР лазеров. Получено и исследовано ВКР, измерены коэффициенты ВКР усиления в десятках новых нелинейных
24
кристаллах, проведено исследование их физических и оптических свойств [41]. Решению этой задачи будет посвящена и предлагаемая диссертационная работа.
Другими перспективными твердотельными материалами для ВКР являются оптические волокна [42, 43]. Большая длина волокна и малый размер сердцевины позволяют реализовать большую длину взаимодействия накачки и рассеянного излучения при высокой плотности мощности. Спектр комбинационных колебаний в плавленом кварце имеет широкие резонансы в диапазоне от 50 см'1 до 650 см'1. В работе [44] было исследовано коллинеарное ВКР в одномодовом волокне. При бигармоническом возбуждении можно раскачать фонолы определенной частоты и создать источник перестраиваемого излучения в стоксовой спектральной области. Предложенный механизм заключался в бигармоническом генерации слабых стоксовой и антистоксовой волн и последующем ВКР усилении стоксовой волны в поле интенсивной волны накачки. Когда значение разности частот фотонов бигармонической накачки совпадало с энергией комбинационного фонона, эффективность преобразования в стоксову волну достигала 30% от интенсивности накачки.
В кварцевом световоде при прохождении по нему излучения Ы<Г+:УАО лазера с длиной волны 1.064 мкм наблюдается стоксово излучение с длиной волны 1.12 мкм. За счет каскадного процесса генерации возникает вторая и третья стоксовы компоненты, при чем третья стоксова компонента с длиной волны 1.24 мкм может служить накачкой для ВКР усиления пробного излучения с длиной волны 1.3 мкм, соответствующей области нулевой дисперсии кварца. В такой системе было получено усиление с коэффициентом до 20 дБ [45]. Созданные в последнее время Брэгговские зеркала в волокнах с высоким коэффициентом отражения позволили создавать волоконные ВКР усилители на высших стоксовых компонентах на длинах волн телекоммуникационного диапазона 1.3-1.5 мкм [43]. Разработанные недавно фосфоросиликатные волокна позволили в три раза повысить частоту ВКР активной моды (<г^=1330 см'1) моды и получить генерацию в волоконном ВКР лазере сразу на 1.24 мкм и 1.48 мкм, повысив эффективность и стабильность ВКР преобразования в ближнем ИК диапазоне [46-48]. Однако, из-за малого размера сердцевины волокна и ограниченной лучевой стойкости волоконные ВКР лазеры не позволяют получать высокие энергии в импульсах и большие плотности мощности лазерного излучения, масштабировать ВКР преобразователи.
1.3. Основные типы твердотельных ВКР преобразователей и ВКР лазеров
Эффект ВКР представляет большой интерес с прикладной точки зрения, как
эффективный способ преобразования оптических частот. Было показано, что коэффициент
преобразования в стоксову компоненту в сжатых газах и жидкостях может достигать
25
десятков процентов. Однако, существуют ограничивающие факторы, в частности генерация антистоксовых и высших стоксовых компонент, конкурирующие нелинейные процессы. В результате на основе теории ВКР были созданы эффективные лазерные устройства с преобразованием частоты в стоксовы компоненты. Возможны различные подходы к созданию высоко эффективных ВКР преобразователей и лазеров: однопроходные и многопроходные системы, преобразователи с дополнительным резонатором и внутрирезонаторное преобразование.
Самый простой однопроходовый твердотельный ВКР преобразователь состоит из ВКР кристалла и коллимирующей оптики для излучения накачки и рассеянного излучения. В этом случае в приближении плоской падающей волны и низкой интенсивности Стоксовой волны без истощения излучения накачки, интенсивность 1-ой Стоксовой компоненты после ВКР кристалла может быть описана стандартной экспоненциальной зависимостью Л/ (I) = (0) ехр{^1р1}. В ВКР преобразователе 13,(0) соответствует уровню спонтанных
шумов и заметное преобразование наблюдается, когда степень экспоненты равняется
25 и выше. Из уравнения видно, что степень экспоненты в заданной нелинейной среде может быть увеличена либо за счет повышения плотности мощности возбуждения или увеличения длины взаимодействия. Повышение плотности мощности излучения ограничено оптической стойкостью ВКР элемента, а длина кристалла ограничено размерами реальных нелинейных элементов.
Различные нелинейные процессы, происходящие в однопроходовом ВКР преобразователе, такие как параметрическая генерация высших Стоксовых и антистоксовых компонент, вынужденное Бриллюэновскос рассеяние, самофокусировка могут сопровождать ВКР и ограничивать эффективность преобразования при высокой плотности мощности накачки. Широкое угловое ВКР рассеяние в кристаллах при высоких накачках усложняет коллимирование преобразованного излучения.
В многопроходном ВКР преобразователе рассеянное излучение несколько раз проходит через возбуждаемую область в нелинейной среде. Это увеличивает инкремент ВКР усиления {В^1} в число раз, равное числу проходов по ВКР активной области в среде. При достаточном числе проходов в специальных оптических схемах можно значительно уменьшить вероятность сопутствующих ВКР нелинейных процессов, таких как параметрическая генерация высших стоксовых и антистоксовых компонент, обратное стоксово рассеяние, так, что только первая стоксова компонента будет распространяться и только в попутном к накачке направлении. Авторы работ [49, 50] вывели аналитическое выражение в приближении плоского волнового фронта для коэффициента ВКР усиления в многопроходном ВКР преобразователе. Он состоял из двух зеркал с коэффициентом
26
отражения Я и рассеянное излучение распространялось но ВКР среде с небольшим пространственным сдвигом после каждого прохода. Полный коэффициент ВКР усиления после 1ч!-ого прохода в такой схеме равняется
йм = в (1-1^)(1-К)'' + (N-1) 1пЯ (4)
где О инкремент ВКР усиления при одном проходе.
Увеличение коэффициента отражения зеркал К соответственно увеличивает коэффициент ВКР усиления такой системы, ТО есть, чем выше К, тем выше Од' . Из этого уравнения видно, что оптимальное число проходов следует выбирать исходя из коэффициентов отражения имеющихся зеркал. Эксперименты по ВКР в газообразном водороде показали хорошее соответствие между экспериментальными и теоретически предсказанными данными [49). Однако, при разработке твердотельных ВКР преобразователей возникают определенные сложности при разработке оптических схем, связанные с большей дисперсией в твердых телах, меньшим размером нелинейных кристаллов. Основной недостаток многопроходного преобразователя - это одновременная генерация высших стоксовых компонент при высоких плотностях возбуждения, присущее также и одноироходовой системе.
Если ВКР активный кристалл поместить в оптический резонатор, то обратную связь можно сделать только для одной, двух или требуемого числа стоксовых компонент. ВКР преобразователь с оптическим резонатором может дать значительное увеличение эффективности ВКР преобразования по сравнению с однопроходовой схемой. Можно приготовить дихроичные зеркала с оптимальным коэффициентом отражения для 1-ой стоксовой компоненты и малым отражением на длине волны 2-ого стокса. Эго может увеличить ВКР преобразование в 1-ый стоке и практически исключить генерацию 2-ой стоксовой компоненты. В тоже время, запирая излучение первой стоксовой компоненты внутри резонатора можно достичь полного преобразования излучения во 2-ую стоксову компоненту. Таким образом, изменяя параметры зеркал резонатора можно разработать ВКР преобразователь, с выходом только 1-ой, или только 2-ой и т.д. стоксовых компонент независимо. Если в ВКР активной среде есть несколько интенсивных комбинационных линий, то генерация на более интенсивной линии может быть подавлена, а генерация на вторичной линии может быть усилена за счет селективности резонатора ВКР лазера [51, 52].
Другое принципиальное отличие ВКР лазера заключается в возможности концентрировать излучение в узком пространственном угле с пространственной расходимостью близкой к дифракционному пределу. Важно отметить, что такой эффект
27
может проявляться даже при возбуждении ВКР лазера многомодовым излучением с большей расходимостью и даже при нсколлинеарном возбуждении. В таких схемах ВКР лазер может значительно увеличить яркость лазерного излучения на стоксовой частоте. Энергетические зависимости 1-ой и 2-ой стоксовых компонент в таких ВКР лазерах были рассмотрены в работе [20]. Возникновение генерации 2-ой стоксовой компоненты сильно влияло на выходную энергию 1-ого стокса. В результате при повышении энергии накачки квантовая эффективность и энергия уменьшались. Максимальная квантовая эффективность в 1-ый стоке составила 40%, а 2-ой стоке -20%.
В работе [32] исследовались ВКР лазеры на кристаллах Ва(КОз)2, ЫаМОз и СаССЬ мри возбуждении 2-ой гармоникой КсГ,+:УАС лазера (Я = 532 нм) с энергией в импульсе до
0.8 Дж и длительностью импульсов 15 не. Резонатор ВКР лазера включал в себя входное зеркало, пропускающее накачку, с высоким коэффициентом отражения для стоксовых частот и дополнительное выходное зеркало или выходной торец кристалла. С помощью такого ВКР лазера была получена эффективность ВКР преобразования в 1-ую стоксову компоненту 50%. Причем оказалось, что эффективность не зависит от коэффициента отражения выходного зеркала в диапазоне 4-20%, отражения от торца кристалла было достаточно для эффективной ВКР генерации. Одновременная генерация четырех стоксовых компонент наблюдалась в этих экспериментах. Авторы [32] не могли остановить генерацию высших стоксовых компонент, так как у них не было дихроичных зеркал со специальным острым сп е ктрап ь н ы м п роф и л е м.
В работах [51, 52] исследования были направлены на разработку твердотельных ВКР преобразователей для ближнего ИК спектрального диапазона. Работа в ближнем ИК приводит к уменьшению коэффициента ВКР усиления и усложнению систем для генерации ВКР. Исследование работы ВКР лазера на кристалле Ва(1МОз)2 проходило при возбуждении излучением наносекундных лазеров на кристаллах Ыс1'+:УАО и Мс13*:УА10з с длинами волн 1064, 1079, 1318 и 1338 нм. Было установлено, что за счет оптимизации ВКР лазера, его зеркал, условий фокусировки возбуждающего излучения, можно создать ВКР лазер для получения излучения на первой, второй или третьей стоксовой компоненте с высокой квантовой эффективностью и малой расходимостью излучения.
Аналогично некоторым нелинейным процессам, включая, например, генерацию второй
гармоники, внутрирезонаторное ВКР преобразование позволяет эффективно
преобразовывать частоту с увеличением яркости лазерного излучения и эффективности
преобразования. В частности, внутрирезонаторное ВКР позволяет генерировать лазерное
излучение на стоксовой частоте, уменьшая лазерную частоту на величину комбинационного
резонанса среды, генерировать очень короткие лазерные, достигать 100%-ной квантовой
28
эффективности, работать в качестве ограничителя внутрирезонаторной мощности, предотвращая оптический пробой внутрирезонаторных оптических элементов [39, 40, 53].
Внутрирезонаторный ВКР преобразователь включает нелинейную среду, помещенную внутрь резонатора лазера накачки. Задающий лазер накачки может быть как с активной, так и с пассивной модуляцией добротности. Чтобы получить максимальное преобразование зеркала резонатора должны отражать 100% излучения накачки. Зеркала резонатора могут иметь специальные дихроичные покрытия, чтобы последовательно генерировать излучение на второй и третьей стоксовых компонентах.
В работах [39, 54] представлен мощный внутрирезонаторный ВКР преобразователь па кристалле 1д10з, помещенный внутрь резонатора непрерывного Ыс13+:УАС лазера с акустооптической модуляцией добротности. Кристалл 1лЮз длиной 35 мм был вырезан под углом 0=20.5° к оптической оси. Исследовалось ВКР рассеяние на продольном фононном колебании 818 см'1. Авторы показали возможность получить среднюю мощность 1.26 Вт па первой стоксовой компоненте (1.18 мкм) в простом резонаторе, состоящем из двух зеркал. Эффективность ВКР преобразования в первую стоксову компоненту составила 55% по отношению к интенсивности накачки (1.064 мкм). Используя дополнительное внутрирезонаторное зеркало, авторы получили генерацию второй стоксовой компоненты со средней мощностью 550 мВт.
Другое важное направление развития твердотельных ВКР лазеров связано с разработкой полифункниональных активных лазерных элементов с нелинейным преобразованием излучения в самой лазерно-активной среде. Впервые эта идея была реализована в 1967 году для внутрирезонаторной генерации второй гармоники в кристаллах ЫЫЬОз, активированных ионами Мб3' [55, 56]. В дальнейшем эта направление нашло свое развитие в разработке кристаллов для внутрирезонаторного ВКР самопреобразования излучения в самой лазерно-активной среде. Впервые такой режим был осуществлен в кристаллах К0с1(\¥04)2 [39, 40]. Этот кристалл также известен как матрица для эффективных неодимовых лазеров [57]. В работе [39] в лазере на кристалле К0с1(\У04)2 с лримесыо ионов N6" с ламповой накачкой одновременно наблюдалась лазерная генерация на ионах МсГ" (длина волны 1067 нм) и стоксово излучение (1180 нм). Оптимизация лазерного резонатора позволяет достигнуть внутрирезонаторного ВКР преобразования близкого к 100%.
Таким образом, видно, что поиск новых высокоэффективных нелинейных кристаллов для ВКР, исследование их характеристик и свойств, разработка ВКР преобразователей на их основе является важной научной задачей современной лазерной физики.
29
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОИСКА КРИСТАЛЛОВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ВКР
Как мы видели в главе 1 для стационарного ВКР, когда длительность импульса возбуждающего лазерного излучения больше времени релаксации ВКР активного колебания Оимп » Ти) и в приближении заданного поля накачки 1нша интенсивность ВКР излучения 1$(1) после прохождения среды длиной / определяется экспоненциальным законом: 15(1) = 1ф0)ехрф331иак1), где к(0) - плотность мощности рассеянного стоксова излучения в начале кристалла, определяемый спонтанным уровнем шумов. Уравнение для стационарного
интегральное сечение комбинационного рассеяния, с - скорость света, и А, - длины волн накачки и стоксова излучения, п3 - показатель преломления на длине волны стоксовой компоненты, N - число рассеивающих центров, Лу^ - спектральная ширина ВКР активной моды (ПУНМ).
Из уравнения для gss видно, что в стационарном случае коэффициент ВКР усиления прямо пропорционален интегральному сечению комбинационного рассеяния на ВКР моде и обратно пропорционален ее спектральной ширине. Спектральная ширина комбинационной моды определяется процессами релаксации колебательных возбуждений в кристалле, связана с фонон-фононным и фоион-решеточным взаимодействием, который подробно будет обсуждаться в главе 3. Таким образом, стационарный коэффициент ВКР усиления прямо пропорционален произведению (Луц)'1 -фо/сЮ), что можно трактовать как сечение комбинационного рассеяния в максимуме КР моды или пиковое сечение:
В нестационарном режиме, когда длительность импульсов накачки г/ меньше времени релаксации ВКР активного колебания 7* , (т/ < Тц) и спектральная ширина лазера накачки (Аур) больше, чем ширина линии вибронного перехода Ауц (Ау/ > Ауц)', в случае прямоугольного импульса накачки и при отсутствии ее истощения нестационарный инкремент ВКР усиления 0^ связан со стационарным инкрементом как [58, 59]:
коэффициента ВКР усиления определяется как [19]: =
. Здесь (1ЫсЮ
лс/гп\А у,{ \df2j
(5)
С.-/- 2(С,д/сД^г/)1'2
(6)
30