Твердотельные лазеры на основе оптически плотных кристаллических сред

2
Оглавление.
Введение................................................................ 5
Глава 1. Лазеры на основе оптически плотных сред, работающие в
режимах свободной генерации и модулированной
С • .
добротности.................................................. 18
1.1. Термооптические искажения, наводимые в активных средах. 18
1.2. Эрбиевые лазеры трехмикронного диапазона..................... 22
1.3. Гольмиевые и неодимовые лазеры, излучающие в
диапазоне 1.3-2.1 мкм........................................ 26
1.4. Пассивные модуляторы добротности неодимовых лазеров
на основе кристаллов гранатов, активированных ионами хрома.......................................... .•.......... 30
1.5. Обращение волнового фронта с использованием
насыщающихся поглотителей на основе Сг^-содержащих гранатов...............................■..................... 36
Глава 2. Термооптическая линза в оптически плотных средах............. 41
2.1. Тепловыделение в различных активных материалах и пассивных затворах................................................ 42
2.1.1. Методика эксперимента........................................ 42
2.1.2. Тепловыделение в активных элементах и пассивных затворах во время работы импульсно-периодического лазера.............................................................. 45
2.1.3. Обсуждение результатов измерения тепловыделения 47
2.2. Термооптическая линза в активных элементах в квазистационарном и переходном режимах работы импульсно-периодических лазеров (эксперимент)..................... 50
2.2.1. Методика эксперимента........................................ 50
2.2.2. Расходимость лазерного излучения в квазистационарном и
переходном тепловых режимах.................................. 53
2.2.3. Термооптическая линза в переходных тепловых режимах 59
2.3. Динамическая модель термооптической линзы 8
импульсных твердотельных лазерах......................... 72 >4
Глава 3. Эрбиевые лазеры трехмикронного диапазона..................... 88
3
3.1. Лазеры трехмикронного-диапазона, работающие в режиме свободной генерации................................................ 88
3.2. Лазеры трехмикронного диапазона, работающие в режиме модулированной добротности резонатора............................. 108
Глава 4. Лазеры, излучающие в спектральном диапазоне 1.3 - 2.1
мкм........................................................... 131
4.1. Гольмиевые лазеры двухмикронного диапазона............. 131
4.1.1. Режим свободной генерации.............................. 132
4.1.2. Генерация в режиме модулированной добротности резонатора.......................................................... 140
4.2. Неодимовые лазеры, излучающие в диапазоне длин волн
1.3-1.5 мкм............................................ 147
4 2.1. Спектроскопические характеристики иона Nd3' :...................... 149
4 2.2. Схема эксперимента..................................... 153
4 2.3. Генерационные характеристики............................... 154
4.2.4 Люминесценция активной среды во время генерации.......... 164
4 2.5. Обсуждение результатов экспериментов по .1.44 мкм
генерации..................................:...„....... 170
Глава 5. Свойства кристаллов гранатов, активированных ионами Сг4’
и их использование в качестве пассивных затворов неодимовых лазеров................................. 182
5.1. Насыщение поглощения и поляризационные свойства кристаллов гранатов, содержащих центры Сг4>............. 183
5.1.1. Поляризационная анивотропия просветления
хромсодержащих насыщающихся поглотителей............... 183
5.1.2. Процессы насыщения поглощения кристаллов фанатов с
центрами Сг4’ при просветлении пробным пучком.......... 191
5.1.3. Процессы просветления кристаллов гранатов с центрами
Сг'4* при работе в качестве пассивных затворов в
резонаторе неодимовых лазеров.......................... 202
5.2. Пассивная модуляция добротности неодимовых лазеров с
помощью кристаллов гранатов, содержащих центры СгА~...... 213
5.2.1. Энергетические характеристики генерации лазеров с
4
пассивной модуляцией добротности............................ 213
5.2.2. Спектральные характеристики излучения лазеров с пассивной модуляцией добротности................................... 232
5.2.3. Влияние поляризационной анизотропии насыщения поглощения пассивного затвора на выходные параметры неодимовых лазеров................................................. 237
Глава 6. Неодимовый лазер с адаптивным петлевым резонатором 246
6.1. Обращение волнового фронта при вырожденном
четырехволновом взаимодействии в С^'-содержащих
кристаллах..............................-.................... 246
6.1.1. Коэффициент отражения при четырехволновом взаимодействии...,................................................ 246
6.1.2. Формирование динамических голографических решеток в объеме пассивного модулятора на основе кристаллов гранатов с центрами Сг"........................................... 252
6.2. Адаптивный петлевой резонатор на основе вырожденного
по частоте четырехволнового смешения......................... 266
6.2.1. Широкоаппертурный неодимовый лазер на основе
четырехволнового взаимодействия в 04*-содержащих кристаллах................................................... 266
6.2.2. Поляризационные свойства адаптивного петлевого резонатора......................................................... 273
6.2.3. Адаптивный петлевой резонатор с нелинейной средой малой длины........................................................ 280
Приложение 1........................................................... 292
Заключение............................................................. 294
Литература............................................................. 301
*
5
Введение.
Актуальность темы. В последние годы различные задачи в области квантовой электроники и лазерной физики из объекта исследований фундаментальной науки перешли в прикладную область Лазерные технологии и приборы все более широко применяются в промышленности, медицине, бытовой технике, а также для передачи и хранения информации. В области твердотельных лазеров эта тенденция связана, в первую очередь, с расширением спектрального диапазона генерации и необходимостью гибкого управления спектральными, временными и пространственными характеристиками лазерного излучения. Наряду с традиционно применяемыми методами ламповой накачки активной среды все более широко используются методы селективной накачки, в частности, с помощью полупроводниковых лазеров. Процесс специализации, наблюдаемый среди производителей лазеров, приводит к необходимости проведения всесторонних исследований свойств новых материалов и генерационных режимов до их передачи в промышленность для серийного выпуска Практика применения и жесткая конкуренция на рынке оптоэлектронных приборов побуждает исследователей и разработчиков к совершенствованию элементной базы и разработке новых методов накачки и управления режимами генерации и параметрами выходного излучения.
Особенный интерес вызывает исследование свойств активных сред, излучающих в диапазоне 2-3 мкм, поскольку лазеры этого диапазона находят все более широкое применение на практике. Лазеры, излучающие в диапазоне длин волн около 1 мкм, в настоящее время являются наиболее часто применяемыми в различных областях, и основная задача состоит в поиске эффективных способов управления их генерационными характеристиками, включая пространственные параметры излучения.
Решение одной из основных проблем лазерной физики, касающейся повышения эффективности работы (КПД) импульсных твердотельных лазеров с ламповой накачкой, привело к созданию нового класса активных сред, характеризующихся значительно более высоким коэффициентом поглощения излучения накачки в видимой области спектра по сравнению с традиционными активными средами. В новых кристаллах основную функцию поглощения
;Ч-
6
выполняли ионы Сг5*, обладающие широкими полосами поглощения в видимой области, с последующей передачей возбуждения на активные частицы -трехвалентные редкоземельные ионы. Одной из основных особенностей этого класса активных сред является сильное поглощение излучения накачки, приводящее к неоднородному распределению поглощенной энергии по сечению активного элемента и более высокому тепловыделению по сравнению с классическими средами. К этому же классу, получившему название оптически плотных активных сред, относится и ряд сильно легированных кристаллов, например. ИАГ:Ег (С& = 30-70%). Однако до сих пор а литературе вопросам работы активных сред с неоднородным сильным тепловыделением не уделялось должного внимания, поскольку одной из основных целей конструирования осветителей было, наоборот, создание максимально
4
однородной засветки активного элемента.
В данной работе развит комплексный подход к оценке влияния неоднородного тепловыделения на генерационные характеристики твердотельных лазеров, особенно во время работы прибора в переходном тепловом режиме. Создана расчетная модель временного развития тепловой линзы, которая позволяет с достаточной точностью прогнозировать поведение расходимости лазерного излучения при выходе на квазистационарный тепловой режим. •
Создание новых активных сред и появление лазеров 2-3-мкм диапазона привело к необходимости исследований с целью оптимизации состава христаллов и определения активных сред, наиболее подходящих для различных режимов работы лазеров. Решение этой задачи осложнялось тем. что процессы возбуждения и передачи энергии в системах частиц, содержащих ионы Ег3", Тт3* и Но3", являются существенно нелинейными. Поэтому для подтверждения разработанного в литературе теоретического подхода необходимо было провести весьма широкие экспериментальные исследования, направленные на выявление концентрационных зависимостей генерационных характеристик и оценку степени их влияния на параметры лазерных приборов. Достигнутое за последние годы улучшение оптического качества традиционных
неодимовых активных сред поставило вопрос о практическом использовании
.1
лазеров на слабых переходах ионов неодима. Одйако существующие литературные данные не давали ответа на вопросы о влиянии различного типа
7
потерь на эффективность генерации на этих переходах, что не позволяло создать эффективные приборы со спектрально чистым излучением генерации.
Отдельного изучения требует вопрос о применении Сг^-содержащих кристаллов гранатов в качестве пассивных затворов для лазеров 1-мкм диапазона. Структура и некоторые свойства центров данного типа, возникающих при одновременном легировании кристаллов ионами хрома и двухвалентными щелочноземельными ионами (Са2* или Мд2*) остаются до настоящего времени не исследованными. Однако перспектива использования этих кристаллов, продемонстрированная в самых первых работах потребовала тщательного изучения их спектроскопических свойств. процессов тепловыделения и лазерных применений. В частности, в данной работе были предложены и исследованы направления использования Сг4'-активированных фанатов для управления энергетическими и пространственными характеристиками излучения неодимовых лазеров.
Научная проблема. В ходе выполнения работы решалась важная научная проблема исследования свойств оптически плотных сред и разработки комплексного подхода к их использованию для создания твердотельных лазеров различного применения. Решение этой задачи объединяло три направления - исследование термоиндуцированных искажений, вносимых в резонатор лазера оптически плотными средами, исследование спектрально-генерационных характеристик оптически плотных активных сред, исследование свойств и применение насыщающихся поглотителей на основе Сг4*-активированных кристаллов фанатов.
Совокупность результатов, полученных в работе, вносит существенный вклад в развитие нового перспективного направления лазерной физики -физики твердотельных лазеров на основе оптически плотных сред.
Цель работы. Основной целью настоящей работы являлась разработка импульсных твердотельных лазеров, излучающих в ближней и средней ИК-области, исследование их характеристик в различных режимах излучения и создание на их основе приборов для различных областей применения — в медицине, технике, в системах оптической связи и т.д. Достижение поставленной цели потребовало применения новых лазерных материалов,
таких как оптически плотные активные среды на основе1 хромсодержащих алюминиевых и скандиевых гранатов, активированных различными редкоземельными ионами, оптимизации условий генерации на традиционных средах; применения новых типов пассивных лазерных затворов на основе кристаллов, активированных ионами четырехвалентного хрома, а также разработки новых схем оптических резонаторов и методов их расчета
В процессе достижения поставленной цели решались следующие задачи определение оптимальных режимов работы, условий применения и оценка перспективности использования лазеров на основе хромсодержащих алюминиевых и скандиевых гранатов, активированных ионами Ш3\ Но3*, Тт3*, Ег3*, излучающих в режимах свободной генерации и модуляции добротности;
г
исследование различных способов накачки активных сред и модуляции добротности с целью создания лазеров, отвечающих определенным требованиям;
анализ поведения термолинзы и особенностей генерации, возникающих в случае применения оптически плотных сред;
поиск и отработка методов управления параметрами генерации неодимовых лазеров с помощью пассивных затворов на основе кристаллов, активированных ионами С/*, для создания промышленных и научных приборов;
анализ возможностей и характеристик генерации на слабых переходах иона неодима в различных кристаллических матрицах и методов получения спектрально чистого выходного излучения для создания ^медицинских лазеров;
разработка и исследование адаптивного петлевого резонатора для создания высокоэффективного неодимового лазера с высоким качеством излучения;
- создание медицинских лазеров одно-, двух- и трехмикронного диапазона.
Научная новизна.
Получены количественные данные, характеризующие степень влияния динамической тер.йоиндуцированной линзы и неоднородности распределения поглощенной энергии накачки по сечению активного элемента в оптически
9
плотных активных средах на пространственные характеристики излучения генерации в кваэистационарном и переходном тепловых режимах. Обнаружено и исследовано явление минимизации расходимости излучения при определенных частотах повторения импульса накачки. Установлено, что этот эффект связан с динамической компенсацией тепловых потоков в условиях охлаждения активного элемента при неоднородном тепловыделении.
Экспериментально реализованы малогабаритные лазеры трехмикронного диапазона на кристалле ИСГ Г.СР'.Ег3' и проведен сравнительный анализ эффективности и возможности применения кристаллов ИСГГ СЛЕг3* и ИАГ £г* в излучателях лазеров, работающих в различных режимах генерации. Создан перестраиваемый лазер на кристалле ИСГГ:Сг,Ег, излучающий в режимах свободной генерации и модулированной добротности в диапазоне 2,64-2,87 мкм. Обнаружено, что генерация гигантского импульса при модуляции добротности резонатора с помощью затвора на основе нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО-модулятора) происходит при неполностью открытом затворе с возможностью излучения импульсов микросекундной длительности за счет последовательной генерации различных поперечных мод резонатора.
Проведен сравнительный анализ генерационных характеристик различных активных сред гольмиевых лазеоов двухмикронного диапазона. Дано объяснение явлению падения КПД генерации при увеличении частоты повторения импульсов накачки, заключающееся в совместном действии термоактивированного процесса обеднения верхнего лазерного уровня и увеличения дифракционных потерь из-за уменьшения фокусного расстояния термолинзы.
Предложен и реализован лазер с селективным трехзеркальным резонатором, позволяющий получить спектрально чистое излучение генерации С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 144 МКМ на переходе *Руз - *1]ЭЯ в ионе N<4**. Проанализированы возможности получения генерации на этом переходе в разных активных средах в случае, когда нижним лазерным уровнем являются различные штарковские компоненты мультиплета ■
Изучены характеристики эффекта насыщения поглощения в О**-
I >
содержащих кристаллах гранатов (ИАГ, ИСГГ, ГСГГ, ЛАГ) Установлено влияние оптического качества кристаллов и линейных потерь на точность
10
определения основных характеристик - концентрации активных центров и сечения поглощения из основного состояния. Показано, что эффект поглощения из возбужденного состояния оказывает пренебрежимо малое влияние на характеристики СЛ-активированных кристаллов.
Обнаружен эффект, заключающийся в излучении импульса генерации до момента полного насыщения СЛ-содержащего затвора. Эффект приводит к принципиально неполному просветлению затвора во время работы лазера На основе этого явления и поляризационной анизотропии насыщения поглощения СЛ-активированных кристаллов предложен и реализован способ управления генерационными характеристиками неодимовых лазеров, заключающийся в изменении потерь резонатора путем вращения вокруг оптической оси предварительно ориентированного затвора
Установлен физический механизм эффекта четырехволнового смешения в кристаллах С^’-активированных гранатов. Обнаружено, в частности, что эффект объясняется формированием в объеме кристалла динамических голографических решеток, связанных с изменением показателя преломления среды за счет насыщения поглощения на длине волны 1 мкм (резонансный механизм) и локального тепловыделения (тепловой механизм).
Создана оригинальная схема адаптивного петлевого резонатора на основе вырожденного по частоте четырехволнового взаимодействия в Сг4*-содержащих кристаллах. Продемонстрированы возможности данного типа резонатора по компенсации искажений пространственной структуры и поляризационного состояния внутрирезонатсрных пучков.
*
Предложения по использованию основных результатов работы.
Разработанный метод расчета термоиндуцированной линзы применим для различных форм активных элементов и может использоваться как для ламповой, так и для селективной лазерной накачки. Метод позволяет с достаточной точностью оценивать величину термолинзы и ее интегральное воздействие на характеристики излучения и может быть использован при проектировании резонаторов твердотельных лазеров.
Полученные результаты сравнительных исследований различных активных сред трехмикронного диапазона в режимах свободной генерации и модулированной добротности и сделанные на основании этих исследований
11
рекомендации были использованы для создания серийных лазеров трехмикронного диапазона и могут быть применены в практических разработках лазерных приборов различного назначения.
Результаты экспериментов по исследованию частотных характеристик генерации гольмиевых лазеров' двухмикронного диапазона и 1.44-мкм неодимового лазера были использованы в разработках медицинских лазеров различного применения и могут быть использованы также для создания перспективных медицинских приборов.
Обнаруженные закономерности работы кристаллов Сг^-содержащих фанатов в качестве пассивных затворов неодимовых лазеров 1-мкм диапазона могут быть использованы для разработки способов управления генерационными характеристиками лазеров без изменения уровня накачки, а также для создания одночастотных лазеров.
Предложенная в работе схема адаптивного петлевого резонатора может быть использована для исследования ОВО-свойств веществ с малыми параметрами нелинейности и разработки практических конструкций лазеров с малой расходимостью излучения.
Положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментальное обнаружение и исследование явления сглаживания термооптических неоднородностей (СТОН-эффект) в оптичесхи плотных активных средах за счет неоднородного тепловыделения в объеме активной среды.
2. Реализаиуя метода модуляции добротности эрбиевого лазера трехмикронного диапазона с помощью НПВО-затвора при генерации как коротких (50-100 нсек) так и длинных (до 15 мксек) гигантских импульсов. Объяснение этого явления, заключающееся в последовательной генерации импульсов различного модового состава по мере открывания затвора.
3. Реализация неодимового лазера с длиной волны генерации 1.44 мкм. излучающего на слабом переходе с сечением излучения на порядок меньшем сечения перехода с длиной волны 1.06 мкм. Вывод об
уменьиюнии эффективности генерации преимущественно за счет действия
> . радиационных потерь на длине волны 1 мкм.
12
4. Обнаружение и исследование эффекта одночастной генерации неодимовых лазеров с пассивным затвором на основе СУ*-содержащих кристаллов при отсутствии дополнительных спектральных селекторов в резонаторе лазера.
5. Предложение и реализация способа управления генерационными характеристиками неодимовых лазеров 1-мкм диапазона за счет использования эффекта поляризационной анизотропии просветления Сг4*-активированных кристаллов гранатов, применяемых в качестве пассивного модулятора добротности.
6. Предложение и реализация ширскоаг.ертурного лазера с адаптивным петлевым резонатором на основе вырожденного по частоте четырехволнового взаимодействия в хромсодержащих кристаллах с расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу при полном заполнении апертуры активного элемента.
7. Реализация лазерных установок различного применения, работающих 8 режимах свободной генерации и модулированной добротности с длинами волн излучения в диапазоне 1-3 мкм и исследование их генерационных характеристик.
Апробация работы.
Основные результаты работы изложены в 35 работах, опубликованных в научных журналах и сборниках. Общее число опубликованных автором работ - 93. по теме диссертации 53 (включая тезисы докладов).
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Международная конференция «Лазеры и медицина», 1989, Ташкент, СССР; Advanced Solid State Lasers (ASSL-1990), 1990, Salt Lake City, USA; XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, 1991, С.-Петербурп Advanced Solid State Lasers (ASSL-1992). 1992, Santa Fe. USA; Advanced Solid State Lasers (ASSL-1993), 1993, New Orleans, USA; Международная конференция «Оптика лэзеров'93», 1993, С.-Петербург; Международная конференция "Новые достижения лазерной медицины", 1993, Москва - С.Петербург; Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/EUROPE-94. 1934. Amsterdam. The Nederlands; Advanced Solid State Lasers (ASSL-1995), 1995, Memphis, USA; VIII Conference on Laser Optics, 1995, St.Petersburg, Russia. Advanced Solid State Lasers (ASSL-1996). 1996, San Francisco, USA; Coherence
13
on Lasers and Electro-Optics CLEO/EUROPE-96, 1996, Hamburg, Germany; Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/EUROPE-98. 1998, Glasgow, Scotland, United Kingdom; IX Conference on Laser Optics. 1998, St.Petersburg, Russia; Conference on Lasers and Electro-Optics Europe. CLEO-EuropeflQEC-2000. 2000. Nice, France; IX Национальная конференция по росту кристаллов, 2000, Москва; Advanced Solid State Lasers (ASSL-2001). 2001, Baltimor, USA.
Личный вклад автора.
Содержание диссертации отражает личный вклад автора в опубликованные работы. Комплекс исследований, результаты которых приведены в данной диссертационной работе, выполнен автором лично или с соавторами при его непосредственном участии
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одного приложения. В конце работы приведен список литературы из 226 наименований, а также список работ, опубликованных по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 320 страниц, включая 173 рисунка и 23 таблицы по тексту.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и вытекающие из них задачи исследований. Кратко рассмотрено состояние вопроса на момент начала исследований, сформулированы защищаемые положения, научная новизна работы и ее практическая ценность, описаны основные результаты работы и вклад автора в решение поставленных задач.
Первая глава диссертации носит обзорно-аналитический характер. В ней представлены сведения о состоянии и тенденциях развития твердотельных лазеров различного применения, выполненных на основе кристаллических оптически плотных активных сред Отмечается принципиально важная для современных лазерных систем проблема работы в переходных тепловых режимах и необходимость специальных исследований и моделирования тепловых процессов, протекающих в активном элементе в период действия импульса накачки. Далее дан краткий обзор фзультатов генерационных
14
исследований и разработки лазеров медицинского применения, излучающих 8
диапазонах длин волн 1 мкм, 1.3-2 мкм и 3 мкм в режимах свободной генерации
и модулированной добротности. Проанализированы различные способы
модуляции добротности лазеров, работающих в разных спектральных
диапазонах. Большое внимание уделяется способу пассивной модуляции
добротности неодимовых лазеров, излучающих 8 диапазоне 1 мкм, с помощью
Сг4''-содержащих кристаллов гранатов и свойствам указанных насыщающихся
поглотителей, включая поляризационную анизотропию насыщения поглощения
Специальный раздел посвящен экспериментам по обращению волнового
фронта с помощью насыщающихся поглотителей и перспективам
использования для этих целей С/'-содержащих кристаллов. В выводах к главе
формулируются основные задачи диссертационной работы, состоящие в
*
оптимизации тепловых режимов работы лазеров с учетом свойств оптически плотных активных сред, разработке способов применения Сгч*-содержащих кристаллов гранатов 8 качестве пассивных модуляторов добротности и ОВФ-нелинейных сред для создания лазеров 1-мкм диапазона, исследовании и реализации лазеров 1.44-мкм, 2-мкм и 3-мкм диапазона для различных применений, анализе оптимального применения разных типов активных сред и длин волн излучения для решения конкретных практических задач
Вторая глава посвящена изучению тепловых характеристик оптически плотных сред и, для сравнения, традиционных (например. ИАГМф в переходном и квазистационарном тепловых режимах. Подробно описаны методики измерения тепловыделения в активных элементах лазеров и пассивных затворах, а также методики исследования наведенной в активных элементах и пассивных затворах термолинзы. Для оптически плотных активных сред экспериментально показано существенное влияние тепловых процессов, протекающих во время действия импульса накачки на работу лазера в импульсно-периодическом режиме, как в переходном, так и в квазистационарном тепловых режимах. Описана разработанная в ходе исследований модель тепловых процессов, протекающих в активном элементе, позволяющая с высокой точностью прогнозировать изменения наведенной термолинзы и расходимости лазерного излучения в процессе работы лазера 8 импульсно-периодическом режиме.
*
15
Материалы, представленные в третьей главе, связаны с реализацией лазеров трехмикронного диапазона. Проведено сравнение генерационных характеристик двух наиболее часто применяемых активных сред ИАГ:Ег и ИСГГ:Сг,Ег. Определены области оптимального применения этих кристаллов, причем показано, что ИАГ:Ег лучше использовать в мощных лазерах, излучающих в режиме свободной генерации, а ИСГГ.Сг.Ег в малогабаритных низкопороговых лазерах, работающих в режимах свободной генерации и модулированной добротности с высокой частотой повторения импульсов излучения. Представлены результаты реализации режима модулированной добротности с помощью затвора, работающего на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО-модулятор). Показано, что
использование такого модулятора позволяет получить гигантские импульсы
*
длительностью от десятков наносекунд до единиц микросекунд. Предложено объяснение этого эффекта, заключающееся в возможности последовательной генерации импульсов различного модового состава, что обусловлено механизмом работы НПВО-затвсра Продемонстрировано хорошее согласие расчетов по предложенной модели и результатов эксперимента
Четвертая глава содержит результаты исследований, реализации и сравнения характеристик гольмиевых лазеров двухмикронного диапазона и неодимового лазера с длиной волны излучения 1.32 мкм и 1.44 мкм Объединение в одну группу лазеров двух типов, излучающих в различных диапазонах, необходимо и обусловлено характеристиками взаимодействия их излучения с биотканью. При исследовании характеристик гольмиевых лазеров основное внимание обращалось не на достижение рекордных характеристик, э на определение факторов, ограничивающих возможность работы лазера в импульсно-периодическом режиме с высокими частотами повторения импульсов. В результате изучения генерационных характеристик лазеров на основе кристаллов ИАГ, ИСГГ, ГСАГ и ИСАГ. активированных ионами Сг3*, Тт3*, Но3*, был сделан вывод о том, что падение КПД генерации с увеличением частоты повторения импульсов накачки связано с совместным действием процесса термоактивированного уменьшения заселенности верхнего лазерного уровня и влияния термоолтических аберраций Реализация лазера с длиной волны излучения 1.44 мкм' на активном элементе ИАГ А/с/ продемонстрировала возможность эффективного получения генерации на
16
слабом переходе при подавлении значительно более сильного. СГсновное внимание уделялось методам внутрирезонаторной селекции длины волны излучения и определению влияния различных потерь на КПД генерации на длине волны 1.44 мкм. Показано, что влияние радиационных шумов (люминесценции) на переходе - 41ил играет значительную роль в уменьшении КПД 1.44-мкм генерации на переходе 4Р3/2-41,^ .
Пятая глава посвящена поиску методов эффективного управления генерационными характеристиками неодимовых лазеров с помощью насыщающихся поглотителей на основе кристаллов Сг4'-содержащих гранатов и исследованию свойств этих кристаллов. Исследования свойств центров Сг*' в различных кристаллах, полученных разными производителями и в разных
технологических процессах, показали, что формирование центров Сг4'
*
сопровождается, как правило, формированием дополнительных (паразитных) центров, поглощение которых и обуславливает остаточные потери в просветленных С^'-содержащих кристаллах. Проведенные исследования позволили обосновать метод расчета характеристик центров Сг*' и получить данные относительно концентрации и сечения поглощения этих центров в разных кристаллических матрицах. Предложен и реализован способ управления генерационными характеристиками неодимового лазера с помощью вращения предварительно ориентированного кристалла Сг4'-содержащего пассивного затвора. Способ основан на свойстве поляризационной анизотропии насыщения поглощения Сг^-активированных фанатов, проявляемой в резонаторе лазера при неполном просветлении пассивного затвора Реализован одночастотный лазер и продемонстрированы возможности данного типа затворов по спектральной селекции излучения неодимового лазера.
В шестой главе представлены экспериментальные результаты исследований, направленных на создание адаптивного резонатора неодимового лазера, построенного по петлевой схеме с использованием эффекта обращения волнового фронта за счет четырехволнового взаимодействия в кристаллах СЛ-зктивированных гранатов. Приводятся результаты измерений коэффициента отражения при обращении волнового фронта, и демонстрируете^ влияние этого эффекта на генерационные характеристики лазера, построенного по петлевой схеме. Величина
17
измеренного коэффициента отражения мала и не превышает 0.2%. однако при
использовании петлевой схемы процесс ОВФ сильнейшим образом влияет на
генерационные характеристики неодимового лазера. Продемонстрированы
возможности предложенной схемы по компенсации искажений
внутрирезонаторного пучка. Показано, что при определенных углах
пересечения взаимодействующих пучков, петлевой резонатор обладает
сильным поляризующим действием, позволяющим компенсировать как
деполяризующее действие эффекта термодвулучепреломления в активной
среде, так и деполяризующее действие внутрирезснаторных элементов.
Предложена физическая модель, объясняющая механизм формирования двух
типов динамических голографических решеток в СЛ-содержащих
насыщающихся поглотителях (тепловой и резонансной (инверсной)). Расчеты,
*
проведенные в соответствии с этой моделью, демонстрируют хорошее согласие с экспериментом и позволяют объяснить временной сдвиг между опорным и обращенным импульсами излучения.
В заключении приведены основные результаты работы и дан список основных публикаций по теме диссертации.
Обозначения кристаллов гранатов, принятые в работе:
ГГГ ГСАГ ГСГГ ИАГ ИСАГ ИСГГ ЛАГ
гадолиний-галлиевьиі гранат гадолиний-скандий-алюминиевьій гранат гадолиний-скандий-галлиевьій гранат • иттрий-алюминиевьій гранат иттрий-скандий-алюминиевьій гранат иттрий-скандий-галлиевьій гранат лютеций-алюминиевьій фанат
18
Глава 1. Лазеры на основе оптически плотных сред, работающие в режимах свободной генерации и модулированной добротности.
Важной проблемой лазерной физики является задача повышения эффективности работы (КПД) импульсных твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Одним из путей решения этой задачи является использование явления сенсибилизации, когда поглощение излучения накачки производится в основном ионами-сенсибилизаторами с последующей передачей энергии возбуждения на активные ионы.
Разработка нового класса активных сред - хромсодержащих скандиевых и галлиевых гранатов [1]. где в качестве рабочих частиц служат трехвалентные ионы редкоземельных элементов (7У?г,)| привела к появлению понятия оптически плотных активных сред [2]. Одной из основных особенностей нового класса кристаллов являлось сильное поглощение 8 широком спектре излучения накачки, приводящее к неоднородному распределению поглощенной энергии по сечению активного элемента и более высокому тепловыделению по сравнению с классическими средами типа ИАГ:ЛЮ. рубина и неодимового стекла. Впоследствии к первоначальной группе оптически плотных активных сред добавился целый ряд других кристаллов, например. ИАГ:£г [3]. ВаЕг2Р8:Тт1 Но [4] и др
В данной главе проведен краткий обзор результатов исследований генерационных характеристик лазеров на основе оптически плотных активных сред, методов управления параметрами генерации и сравнение результатов с лазерами на традиционных кристаллах.
1.1 Термооптические искажения, наводимые в активных средах.
Работы, проводившиеся в направлении создания медицинских и технологических лазеров на основе оптически плотных активных сред обусловили новое проявление интереса к исследованию как спектральногенерационных характеристик этих кристаллов, так и разработке новых и изучению особенностей применения известных конструкций резонаторов. Для этого были необходимы исследования теплофизических свойств НОВЫХ кристаллов, термооптических искажений, вносимых ими в резонатор лазера и других явлений *>
19
Лазеры являются фактически устройствами преобразования энергии источников накачки в энергию когерентного излучения. Поэтому их обязательной характеристикой является выделение тепла в составляющих элементах, причем главным источником тепловыделения и связанных с ним термооптических искажений является активный элемент (изменения в работу лазера, вносимые температурными зависимостями спектроскопических характеристик, мы не рассматриваем). Термооптические искажения, вносимые элементами резонатора, были обнаружены практически при первых лазерных экспериментах. Они были подробно исследованы экспериментально, также была разработана теория явления. Результаты многолетних исследований суммированы в ряде монографий, справочников и статей (см., например. [5, 6.7,8,91).
Основная масса экспериментальных работ по прямому измерению величины термооптической линзы была проведена на примерах активных сред НАГЛЮ, рубина и неодимового стекла при различных условиях накачки и охлаждения активного элемента, причем главное внимание уделялось характеристикам в установившемся тепловом режиме.
Теоретический анализ термсоптических искажений проводился для всех вариантов работы твердотельного лазера: режим разовых (одиночных) импульсов, импульсно-периодический и непрерывный режимы работы, однако основное внимание было уделено также установившемуся тепловому режиму. При этом делалось предположение о равномерном освещении и равномерном тепловыделении по сечению и по длине активного элемента. В практически применяемых осветителях не удавалось достичь теоретической равномерности освещенности и, следовательно, инверсной заселенности и тепловыделения (см., например. (10]). Поэтому для расчетов применялась и функция неоднородного распределения накачки, пример/ для простоты использовалась параболическая зависимость поглощенной энергии от радиуса активного элемента. В результате удалось получить важные соотношения, качественно верно описывающие форглирование термооптической линзы при игипульсной и непрерывной накачке и зависихюсть ее оптической силы от поглощенной мощности накачки.
Однако, при работе с оптически плотными активными средами было обнаружено, чго расходимость лазерного излучения и интегральная оптическая
20
сила термолинзы отличаются от теоретически ожидаемых. Поэтому авторов работы [11,12] и другими исследователями (см., например, [13]) были проведены дополнительные исследования, направленные на выяснение характера поглощения света накачки и формирования термолинзы в таких кристаллах.
В ходе исследований было обнаружено, что расходимость излучения лазеров на оптически плотных активных средах уменьшается с увеличением оптической плотности среды (статический СТОН-эффект) [11,12], а форма температурного профиля по сечению активного элемента не описывается параболической функцией радиуса даже в установившемся тепловом режиме [13]. Кроме того, при определенных частотах повторения импульсов накачки наблюдалась частичная или полная компенсация термосптической линзы,
г
приводившая к минимизации расходимости излучения лазера (динамический СТОН-эффект) [11]. Для объяснения наблюдавшихся эффектов была развита теория [2,11,14], основным предположением которой было определение понятия спектральносерого коэффициента поглощения излучения накачки. Введение этого понятия позволило аналитически решить задачу о поглощении излучения накачки в оптически плотной активной среде и качественно объяснить статический и динамический СТОН-эффекты, однако оставляло открытым вопрос о реальном прогнозировании поведения расходимости излучения лазера при использовании конкретных активных сред и осветителей.
Исследованиям работы импульсных твердотельных лазеров в переходном тепловом режиме посвящено значительно меньше работ, чем квазистационарному режиму. Тем не менее, в работах [15,16] было *» экспериментально исследовано воздействие нестационарных термоолтических искажений в активном элементе на стабильность характеристик твердотельного лазера в начальный период работы в условиях равномерного распределения накачки по сечению активного элемента. Случай неравномерной накачки был теоретически рассмотрен [17] при аппроксимации зависимости тепловыделения от координаты квадратичной функцией. Было отмечено возникновение отрицательной термической линзы в начальный период работы
лазера и рекомендованы способы ускоренного зыхода на тепловой режим.
)
Отдельно стоит вопрос о реальном тепловыделении в активной среде.
Для неедимсвых активных сред тепловыделение определяется в 3-8% от
21
энергии накачки (см., например. (7]). В случае оптически плотных активных сред специальных измерений не проводилось, предполагалось, что тепловыделение в хромсодержащих неодимовых средах увеличивается пропорционально увеличению КПД (при той же величине диссипативных потерь в активном элементе).
Таким образом, ранее проведенные исследования позволяют качественно обьяснить и с определенной точностью рассчитать термооптические эффекты в традиционных активных средах в квазистационарном и переходном тепловых режимах работы лазера. Введение понятия спектрально-серого коэффициента поглощения излучения накачки позволяет лишь качественно описать термооптические искажения 8 неодимовых оптически плотных активных средах в квазистационарном режиме работы.
Для разработки конструкций лазероз различного применения на основе оптически плотных активных сред требовалось проведение количественного анализа термооптической линзы в различных тепловых режимах работы лазера. Для выполнения этой задачи необходимо провести систематические измерения тепловыделения, динамического и квазистационарного поведения термолинзы, а также установить общие закономерности динамических изменений термоиндуцированной линзы в различных оптически плотных активных средах, излучающих в диапазоне длин волн 1-3 мкм
Отдельно стоит вопрос об искажениях, вносимых в резонатор лазера благодаря нагреву пассивных затворов. Ранее, рассматривались только потери, возникающие благодаря пассивным модуляторам на основе жидких растворов, полимерных пленок и стекол. Предполагалось, что высокая теплопроводность, присущая кристаллическим пассивным затворам, сводит их вклад к пренебрежимо малой величине. В некоторой мере это предположение оправдано в случае использования модуляторов на основе кристаллов с центрами окраски (например, иР:Рг' ) в лазерах с невысокими частотами повторения импульсов и малой средней мощностью излучения. Коэффициент поглощения в этих кристаллах относительно небольшой и тепловыделение распределяется ПО) достаточно большому объему. В пассивных затворах на
л
основе (^'-содержащих гранатов помимо высокой оптической плотности
22
реализуется высокий коэффициент поглощения, что приводит к малым объемам модулятора и высокому удельному тепловыделению Однако реальные величины тепловыделения, их соответствие расчетным значениям и вклад этого типа затворов в термодеформацию резонатора до сих пор не был изучен.
1.2. Эрбиевые лазеры трехмикронного диапазона.
Разработка теоретических основ квантовой электроники и создание действующих лазерных излучателей немедленно повлекли за собой эксперименты по применению лазеров в медицинских целях. В первое время. (1962-1964 гг.), нашли применение рубиновый, неодимовый и аргоновый лазеры. Однако настоящее начало лазерной хирургии состоялось лишь после изобретения СОг-лазера, работавшего на длине волны 10 6 мкм [18] Причина широкого применения этого лазера в хирургии кроется в механизме воздействия лазерного излучения на биологические ткани. Во всех случаях поглощение оптичесхого излучения з биоткани вызывает ее нагрев и деструкцию (в случае низкой пиксвсй мощности) или ззрывообразное удаление (в случае высокой пиковой мощности). Таким образом, для эффективного применения лазеров в хирургии требуется, чтобы ткани обладали достаточно большим поглощением на длине волны излучения лазера. В упрощенном представлении основное содержание биотканей это вода (см., например, спектр поглощения воды Рис.3.10). поэтому СОглазер и получил такое широкое распространение в хирургии. Однако этот лазер, как медицинский прибор, обладал целым рядом эксплуатационных недостатков, поэтому проводились работы по созданию твердотельных лазеров, излучающих в диапазоне 3 мкм и обладающих, поэтому также большими перспективами медицинского использования.
В 70-80-е годы большое внимание уделялось поиску активных сред для создания эффективных твердотельных лазеров трехмикронного диапазона спектра, работающих при комнатной температуре. Основные сложности заключались в большом стоксовом сдвиге (большая часть энергии излучения ламп накачки лежит в видимом диапазоне спектра) и в спектроскопических особенностях переходов, перспективных на получение генерации. Так, переходы, на которых был получен эффект трехмикронной генерации {л1ц/2 -
23
41,зя в ионе Ег3* и 5/6- 5/? в ионе Но3*) являются самоограниченными, т.е. время жизни нижнего лазерного уровня значительно превышает время жизни верхнего. Предполагалось, что создание инверсной заселенности в такой системе возможно только при импульсной накачке Другими проблемами являются сильное тушение люминесценции рабочего лазерного уровня за счет безызлучательных переходов (квантовый выход люминесценции С уровня 41и/2 иона Ег5* в кристалле ИАГ составляет 1.5% [19]) и малое сечение излучения -порядка 2.6*10'23 см2 на длине волны 2.94 мкм [20].
Интерес к лазерам трехмикронного диапазона сильно возрос после успешной демонстрации их практического применения в медицине [21,22] и электронной промышленности [23]. Поэтому был испытан целый набор кристаллических матриц, начиная от широко применяемой структуры алюмината иттрия УА/Оз.Ег* (см., например, [24)) и заканчивая фианитом 7Юг:Ег3' [25] В настоящее время для создания приборов на основе трехмикронных лазеров используются, в основном, две активных соеды -кристаллы ИАГ Ег и ИСГГ Сг.Ег. Оба материала демонстрируют достаточно высокие КПД генерации, технологичны в производстве, близки по стоимости, однако обладают некоторыми различиями в механизмах заселения верхнего лазерного уровня, и величинах времени жизни и квантового выхода люминесценции с уровня *1ц/2 [14.19] и, как следствие, особенностями при работе в разных режимах генерации.
В кристалле ИАГ .Ег кроссрелаксационный механизм обеспечивает заселенность верхнего лазерного уровня 41,иг и опустошение нижнего 41)зп . При этом разгрузка нижнего уровня 41,га обеспечивается резонансными переходами *1 \У2 - 41$я , 41,у2 - 41,ю , которые возникают благодаря взаимодействию возбужденных ионов. Вероятность этих процессов нелинейным образом зависит от заселенности нижнего лазерного уровня (и, следовательно, от уровня накачки). При определенных уровнях накачки вероятность этих процессов превышает вероятность спонтанного распада и обеспечивает снятие самоограничения и возможность получения генерации в канале 41»я - 4Ьуг Процесс взаимодействия возбужденных и невозбужденных ионов (резонансные переходы 4ву2 - ас - 41}уг), зависящий в первую очередь от
концентрации активатора, приводит к уменьшению потерь на вспомогательных переходах и к увеличению эффективности заселения рабочего уровня 411,/2.
24
»В кристаллах ИСГГ :Сг,Ег создание инверсной населенности обеспечивается двумя процессами [14] - передачи возбуждения от ионов Сг3’, являющегося сенсибилизатором, прямо на уровень 41ц/г или на ближайший к нему сверху уровень л1&2 с последующей безызлучательной релаксацией 41ю - 4111/2 без заселения уровнй 41}уз и кроссрелаксационного процесса. Из сравнения механизмов создания инверсной населенности в двух приведенных активных средах видно, что сенсибилизированная ионами Сг3' активная среда может обладать более низкими значениями пороговой энергии, поскольку кросс-релаксационное взаимодействие, требующее значительной концентрации возбужденных ионов, играет в этом случае вторичную роль. Тем не менее, малое сечение излучения требует, как и в случае кристалла ИАГ Ег, высоких концентраций активатора 30-50 ат. %
При исследованиях активных сред ИАГЕг и ИСГГ:Сг.Ег внимание исследователей было з первую очередь направлено на оптимизацию состава и определение диапазона концентраций иснов Ег3' (для матрицы ИАГ) и Ег5' и Сг3* (для матрицы ИСГГ). Оскозные результаты суммированы в работах [14,20]. Для кристалла ИАГ:Ег концентрация ионов эрбия должна быть не меньше 30 ат %. КПД лазера линейно возрастает с ростом концентрации активатора, поскольку основную роль в его повышении играет увеличение вероятности расселения нижнего лазерного уровня [20]. Для кристалла ИСГГ:Сг,Ег концентрация ионов эрбия играет не столь большую роль в диапазоне Сег = 1.5-6-102 см'3, Сс, = 1-3-Ю20 см'3 [14], поскольку ионы эрбия возбуждаются в основном за счет переноса энергии от ионов хрома, а эффективность нелинейны» процессов взаимодействия возбужденных ионов эрбия практически одинакова в указанном диапазоне концентраций.
К началу 90-х годов на кристалле ИАГ:Ег была созданы лазеры, работающие как в режиме свободной генерации с частотой повторения импульсов до 20 Гц (средняя мощность излучения до 30 Вт. КПД до 1.5%) [20]. так и в режиме модулированной добротности и синхронизации мод [25.151]. Однако при работе в режиме модулированной добротности и в режиме свободной генерации при высокой средней мощности излучения наблюдалось разрушение активных элементов. В работе [26] было показано, что низкий порог повреждения активных элементов ИАПЕг связан с макродефектами, образующимися в процессе роста кристаллов. 8 этот период пороговые
25
энергии лазеров на кристаллах ИАГ:£г оставались достаточно высокими (30-50 Дж) и высокая частота повторения импульсов генерации (более 30 Гц) достигнута не была. Позже, в середине 90-х годов, технология выращивания кристаллов ИАГ:£г была улучшена западными производителями, и стало возможно изготавливать лазеры трехмикронного диапазона на этом кристалле, работающие с высокими частотами повторения в режиме свободной генерации [27], хотя в режиме модулированной добротности работа ИАГ.Ег по прежнему оставалась малоэффективной и частота повторения импульсов не превышала 10-15 Гц (27].
На кристаллах ИСГГ:Сг,Ег свободная генерация сразу была получена при значительно более низких пороговых энергиях накачки [29]. что позволило продемонстрировать возможность получения генерации в этом режиме при частотах повторения импульсов до 100 Гц со средней мощностью излучения до
2.5 Вт и КПД 0.35% [28] Также была продемонстрирована возможность работы лазера в режиме модулированной добротности [29.30.31,153] и синхронизации мод [31]. Позднее модуляция добротности в лазере на кристалле ИСГГ:Сг,Ег была получена с помощью пассивного затвора на основе пленок InAs [32], а в работе [33]' проведено комплексное сравнение трех методов модуляции добротности (электроолтический, НПВО и пассивный затворы). КПД лазера с НПВО модулятором добротности был близок в этих экспериментах к КПД свободной генерации 0 3% и почти в 1.5 раза превышал эффективность работы лазера с электрооптическим затвором В коротком резонаторе (37 см) длительность импульса генерации по полувысоте составляла 28-41 нсек. Однако практических конструкций эрбиевых трехмикронных лазеров к началу 90-х годов было сделано мало. Серийно выпускались только три прибора: "Laser 1-2-3", разработанный в компании Schwartz Electro-Optics (USA) -лабораторный прибор со сменными излучателями для работы в диапазоне 1 и 3 мкм в режимах свободной генерации, экспериментальный эрбиевый стоматологический лазер (работающий в режиме свободной генерации с частотами повторения 1-3 Гц), разработанный в ИОФАН СССР в лаборатории Т.М.Муриной. установки УЛТ-3 и УЛТ-ЗМ. разработанные под руководством
автора в ЦКБ УП АН СССР (частота повторения импульсов 1-50 Гц. энергия
»
импульса до 100 мДж в случае УЛТ-3 (свободная генерация) и'до 50 мДж 8 случае УЛТ-ЗМ (модулированная д
26
Таким образом, проведенные ранее работы в области трехмикронной генерации продемонстрировали возможность эффективной работы ИАГ:Ет и ИСГГ:Сг.Ег лазеров в режимах свободной генерации и модулированной добротности.
Для разработки конструкций лазеров трехмикронного диапазона было необходимо решить вопросы управления генерационными характеристиками, провести практическую оптимизацию концентрации активаторов в активной среде ИСГГ:Сг,Ег для различных режимов работы и определить области оптимального применения кристаллов ИАГ:Ег и ИСГГ\Сг,Ег. Кроме того, несмотря на целый ряд опубликованных работ, оставались неясными вопросы возможности получения эффективной генерации во всей области люминесценции ионов эрбия (в диапазоне 3 мкм) и ограничений, накладываемых активной средой на работу лазера в различных режимах.
1.3. Гольмиевые и неодимовые лазеры, излучающие в диапазоне 1.3 -
2.1 мкм.
По мере развития лазерной хирургия и исследований взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями появлялось понимание процессов, происходящих при операциях на различных органах человеческого тела и осознание того факта, что требуется источник излучения, проникающего в ткань на глубину порядка 0.1-1 мм В первую очередь такую возможность предоставляют лазеры, излучающие в спектральной области 1.9-2.1 мкм.
Лазерное излучение с длиной волны к = 2.09-2.12 мкм соответствует переходу 5/7 - 5/а трехвалентного иона гольмия в различных матрицах [34, с 240 Таблица 8.1.]. Поскольку состояние является основным (трехуровневая схема генерации), то эффективная работа лазера на этом переходе требует невысоких концентраций иона-активатора и создания низких температур (вплоть до криогенных (35)), что является серьезным препятствием при технической реализации лазера.
Работа по созданию гольмиевых лазеров, излучающих при температурах, близких к комнатной, велась по пути подбора кристаллических матриц и эффективных ионов-сенсибилизаторов На основе предложенной в 1985 г. [36] схемы построения активированной ионами гольмия активной среды (см. Рис.4.1.) был разработан целый ряд лазерных материалов на основе иттрий-
27
алюминиевого и ряда скандиевых гранатов [36-41]. Предложенная схема характеризуется высоким коэффициентом использования энергии накачки и высокой эффективностью преобразования излучения накачки в инверсную населенность рабочего уровня 5/? иона Но3*. Первое обстоятельство обусловлено использованием ионов Сг3’ в качестве сенсибилизатора, эффективно поглощающего излучение накачки в широкой области спектра. Второе является следствием использования ионов Тт3', эффективно снимающих возбуждение ионов хрома и с использованием процесса кроссрелаксации (квантовый выход равен 2) передающих возбуждение на ионы гольмия. Особенностью такой схемы является уменьшение тепловыделения в процессе передачи возбуждения к активным частицам (см. Главу 2). Предположение о высоком квантовом выходе процесса кросс-релаксации было позднее подтверждено в прямых генерационных экспериментах Так, в работе [42] было продемонстрировано, что величину дифференциального КПД двухмикронного гольмиевого лазера с селективной накачкой, равную -33%. можно объяснить, только если величина результирующего квантового выхода передачи возбуждения от ионов Сг3* к ионам Но3' по цепочке Сг3' ->Тт3* ->Но3* лежит в диапазоне 1.3-1.5.
Характерные результаты исследований генерационных характеристик гольмиевых лазеров двухмикронного диапазона представлены в Таблице!.1.
Таблица 1.1 Характеристики гольмиевых лазеров диапазона 2 мкм.
Активная среда Размеры активного элемента.** Режим работы. температура Абсо- лютный кпд.% Дифферен- циальный КПД.% Порог генерации Дж/Вт Источ- ник
ЬУРіЕг*' ,Тт*~ .Но*' 05x75 Непрерывный. 77К 4,1 4,7 100 ИЗ]
НАГ: Ег^’.Тп/'.По*' 05x75 Непрерывный, 77К 4,0 4,7 325 [43]
ЦУР* :Ег*',Тт*'.Но*' 05x75 Св.гсн., И*П. 230К 0.02 - 250 [43]
ВаЕгЛв’ Тт*' .Но*' 05x40 Св.гск.. имп. ЗООК 4 4.1 58 [4]
ИСГГ.Ы'.ТпГ.Но1' 04x76 Св ген., имп. ЗООК 2.1 3.1 63 [38]
ИСГГ.Сг*', Тт*'.Но' ’ 04x76 ЭО мод-добр. 0,07 0,27 90 [44]
ИСГГСг*', Тт*'.Но3' 04x76 Врат, призма, мод.лобр. 0,25 0,65 63 1 • ' [44]
ИЛГ:Сг>'.Тт3'.Но 05x76.2 Св.гсн., и*гт. ЗООК 1.8 5.1 !Э7 [40]
*
28
Из .работ, посвященных реализации режима модулированной добротности, следует отметить [44], в которой описаны эксперименты с электроолтическим, акустооптическим и оптико-механическим затворами. Минимальная длительность импульса генерации составляла 40 нсек при абсолютном КПД равном 0.15%. Во ВЪех случаях в излучении наблюдалось несколько пичков. Выделение единичного гигантского импульса с помощью стробирования электрооптического модулятора добротности было проведено в работе [45]. При этом моноимпульс обладал той же длительностью, однако КПД генерации уменьшился до значения 0.08%.
Достигнутые энергетические характеристики в режиме свободной генерации (дифференциальный КПД до 5.1%, абсолютный до 4%) продемонстрировали возможности практического применения гольмиевых лазеров. Для конструктивной реализации лазера двухмикроиного диапазона необходимо было установить возможность получения импульсно-периодического режима работы этого лазера при сохранении высоких энергетических характеристик, определить перспективы использования лазера в конкретных областях, а также оценить возможности альтернативных лазеров, излучение которых характеризуется близким г.о величине коэффициентом поглощения в биологических тканях.
Актуальность исследования перспектив применения и разработки лазеров диапазона 1.3-1.5 мкм также опр-еделяется возможностью медицинских применений.
В настоящее время ИАГ.Сг.Тт.Но и ИАГ.Сг,Тт лазеры используются, так же как и СОг-лэзеры. в ортопедической хирургии для артроскопии колена, плеча, лодыжки и локтя, в косметологии и пластической хирургии [46,47] и ряде других областей.
Современные характеристики тулиевых и гольмиевых лазеров составляют: энергия генерации до 3,5 Дж при длительности импульсов 250-350 мксек, средняя мощность 30-40 Вт. Но, несмотря на достоинства ИАГ:Сл7т,Но и ИАГ\Сг:Тт лазеров, они имеют один большой недостаток сильную температурную зависимость генерационных характеристик. Так, например, для достижения средней мощности генерации -20 Вт, температура охлаждающей жидкости должна быть в районе 0°С. Если температурные условия не соблюдаются, то резко падает эффективность генерации, что не
29
допустимо. Поэтому системы охлаждения гольмиевых лазеров являются достаточно сложными и дорогими из-за необходимости поддерживать температуру охлаждающей жидкости на уровне 5-13°С.
Альтернативой двухмикронному лазеру может являться твердотельный импульсный лазер, йзлучающий в диапазоне 1.3-1.5 мкм, т.е. прибор, обладающий сходными характеристиками по поглощению излучения в биотканях (см., например. Рис.3.10), однако демонстрирующий значительно меньшую зависимость от температуры.
Диапазон длин волн 1.3 мкм (генерация на переходе 4/ГЗя иона А/с/3* в различных кристаллических матрицах, см., например. (9]) достаточно хорошо изучен. Существует целый ряд конструкций неодимовых излучателей, работающих на этой длине волны 8 диапазоне 1.4-1.6 мкм возможно получение эффективной генерации лазерного излучения на эрбиевом стекле, л =1.56 мкм, а также на нетрадиционном слабом переходе в ионе А/с/3*, /. = 1.44 мкм (см., например (9,48]} При сравнении двух указанных активных сред, неодимовый лазер демонстрирует преимущество, поскольку эрбиевый лазер способен работать только с небольшими частотами повторения импульсов из-за малой величины теплопроводности стекла.
Для замены тулиевых и гольмиевых лазеров, характеристики которых сильно зависят от температуры активной среды, следует в первую очередь найти такие кристаллические активные среды, излучение которых обладало бы такой же глубиной проникновения в биоткани (коэффициентом поглощения в воде) [49]. Рис.4.13 предоставляет возможность более подробно и детально сравнить коэффициенты поглощения одного из тилов биотканей для двух длин волн 1.44 мкм и 2,10 мкм [50]. Первая длина волны соответствует слабому переходу иона А/с/3* в кристалле НАГ.
Долгое время считалось, что эффективная работа на этом переходе практически невозможна из-за доминирующего перехода на длине волны
1.06 мкм. Однако при нынешнем развитии техники напыления зеркал, появилась возможность изготовить многослойные диэлектрические зеркала с крутыми перепадами коэффициента отражения — от единиц процентов в
диапазоне 1.06 - 1,36 мкм до практически 100% на длине волны 1.44 мкм
ъ
(см. Рис.4.14). Это делает реальным выделение излучения с длиной волны
30
1,44 мкм и практически полнею подавление генерации на более сильных переходах 1,32 мкм и 1,06 мкм.
Первая попытка создания медицинского лазера на основе 1.44 мкм неодимового лазера была предпринята в (51). Основным недостатком предложенной конструкции являлась недостаточная избирательность резонатора лазера, что приводило к появлению з излучении генерации вклада с длиной волны 1 мкм, необходимости установки внерезонаторного селектора длин волн и падению эффективности генерации на длине волны 1.44 мкм.
Генерация на длине волны 1.44 мкм была также получена в [52] в кристалле ГГГ Nd.
На основании опубликованных экспериментальных данных можно сделать вывод о перспективности неодимового лазера, излучающего на длине волны 1.44 мкм, для медицинских применений. Однако для конструктивной реализации такого лазера необходимо провести исследования условий генерации различных активных сред на длине волны 1.44 мкм, а также выяснить причины недостаточно высокого КПД (по сравнению с теоретическим значением) и влияния различных потерь на генерационные характеристики.
1.4. Пассивные модуляторы добротности неодимовых лазеров на основе кристаллов гранатов, активированных ионами хрома
Пассивная модуляция добротности является одним из наиболее простых в реализации способов получения гигантских импульсов генерации с длительностью от долей до сотен наносекунд с пиковой мощностью до сотен мегаватт. В основе метода лежит нелинейный процесс насыщения поглощения материалов под действием электромагнитного поля световой волны. Подробный анализ пассивных затворов с разными спектроскопическими схемами поглощающих центров проведен в [53]. Существует достаточно большой набор материалов. демонстрирующих эффект насыщения поглощения. Однако, большинство из этих материалов (например, растворы соединений фталоцианинов, цветные стекла и др.) обладают существенными недостатками - невысокой фотохимической стойкостью, малой теплопроводностью, деградацией свойств от времени использования или хранения, что ограничивает их практическое применение только
?