1. Введение 3
2. Глава 1. Влияние фотодинамических процессов на лазерные характеристики
кристаллических активных сред УФ диапазона 6
3. Глава 2. Техника и результаты эксперимента 11
4. Глава 3. Интерпретация результатов эксперимента 18
5. Заключение 37
6. Материалы, выпущенные по итогам работы 38
7. Список литературы 40
Одной из ключевых проблем квантовой электроники является проблема оценки перспективности использования новых материалов в качестве лазерных сред. Существующие методы традиционной оптической спектроскопии зачастую не могут дать однозначного ответа на этот вопрос, поскольку при попытках получить лазерную генерацию активное вещество подвергается значительно более интенсивным воздействиям, чем те, которые имеют место в случае использовании этих методов. Так, например, в случае кристаллических активных сред, функционирующих на основе 5d-4f переходов трёхвалентных редкоземельных ионов, интенсивная оптическая накачка ультрафиолетовым излучением сопровождается дополнительными процессами, связанными с возникновением на возбужденных состояниях исследуемой среды значительных электронных населенностей, поглощением из этих состояний, изменением валентности активаторных ионов и образованием центров окраски. Все эти процессы затрудняют, ухудшают или даже полностью исключают возможность возбуждения лазерной генерации [1].
Одним из эффективных способов оценки реального «лазерного потенциала» новых сред являются методы “pump-probe” спектроскопии, которые предполагают создание условий возбуждения исследуемых материалов, близких к условиям проведения экспериментов по осуществлению лазерной генерации, и зондирование возбужденных образцов пробным излучением. При этом удается полностью охарактеризовать активный материал и количественно оценить перспективы реализации лазера на его основе. При этом “pump-probe” методики не лишены недостатков, главным из которых является относительная сложность и трудоёмкость постановки экспериментов.
Методы математического моделирования процессов в активных средах позволяют существенно расширить возможности методов pump-probe спектроскопии. Построенная вероятностная модель переходов в исследуемом
материале, учитывающая воздействия накачивающего и пробного излучения может быть использована для интерпретации экспериментальных результатов и процедур оптимизации с целью нахождения значений неизвестных параметров изучаемой активной среды. В частности, по данным “pump-probe” экспериментов могут быть оценены значения сечений поглощения из возбужденных состояний, как на частоте накачивающего излучения, так и на частоте лазерной генерации, различные релаксационные характеристик и т.п., которые не удается определять методами традиционной оптической спектроскопии. И, наоборот, моделирование позволяет прогнозировать энергетические и временные характеристики оптических усилителей и/или лазерных генераторов, на основе выбранной активной среды.
В качестве объекта исследований данной работы была выбрана известная УФ активная среда на основе кристалла LiCaAlF6:Ce3+. Несмотря на то, что данный материал уже подвергался интенсивным исследованиям, остаются без ответа вопросы, связанные с характеристиками индуцированных излучением накачки фотодинамических процессов и влияния на них технологических особенностей кристаллического синтеза этого соединения.
Целями данной работы являются:
- исследование характеристик активного материала УФ диапазона - кристалла
LiCaAlF6, активированного ионами Ce3+, методами ”pump-probe”
спектроскопии;
- создание компьютерной модели и пакета программ, позволяющих рассчитывать результаты экспериментов для одно и двух проходных усилителей, усиление излучения «на встречных пучках», когда пучки накачки и зондирующего излучения распространяются в усиливающей среде в противоположных направлениях.
Задачами работы являются:
- проведение серии “pump-probe” экспериментов, включавшей в себя исследование явления насыщения поглощения излучения накачки на длине
волны накачки (Х=266 нм) в случае однократного и двукратного (в прямом и обратном направлениях) прохождения излучения через образец,
- исследование характеристик оптического усиления излучения на длине волны 290 нм (пробное излучение),
- создание вероятностной модели, способной интерпретировать
экспериментальные результаты,
- определение параметров фотодинамических процессов в активной среде, индуцированных излучением накачки.
В работе приведены результаты исследования характеристик нелинейного поглощения излучения накачки и оптического усиления известного активного материала УФ диапазона - кристалла LiCaAlF6, активированного ионами Ce3+. Построена математическая модель однопроходного оптического усилителя, функционирующего по четырехуровневой схеме, дополненная процессами поглощения с верхнего лазерного уровня на вышележащие состояния активаторного иона Ce3+ как излучения накачки, так и усиливаемого излучения, а также процессами поглощения с состояний центров окраски. Разработана методика и определены условия проведения вычислительного эксперимента, позволяющие интерпретировать результаты “pump-probe” исследований нелинейного поглощения и усиления в активных средах УФ диапазона. Рассчитаны характеристики оптического усиления и нелинейного поглощения излучения накачки в кристаллах LiCAF:Ce. Достигнуто согласие теоретических расчетов с данными эксперимента. Сформулированы рекомендации для обеспечения построения оптических усилителей на кристаллах LiCaAlF6 :Ce3+ большой мощности.
Результаты работы используются при создании коммерческого оптического усилителя УФ диапазона спектра, в исследовании по получении УКИ в данной активной среде. По результатам работы опубликованы 2 статьи и 4 тезиса.
