Введение 3
1. Особенности лазерной генерации на ионах Ce3+ в кристаллах
фторшеелитов 5
1.1 Быстропротекающие процессы 5
1.2 Межконфигурационные 5d-4f переходы ионов Ce3+ 8
1.3 Кристаллы фторшеелитов, активированные ионами Ce3+, в режиме
лазерной генерации 10
1.4 Центры окраски в кристаллах фторшеелитов 11
1.5 Фотодинамические процессы в кристаллах фторшеелитов 14
1.6 Методика получения коротких лазерных импульсов 17
2. Энергетические уровни активных сред БгБиБ4:Се3+и LiYF4:Ce3+ с учетом
образования центров окраски 20
3. Модель активной среды для кристалла LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ 23
4. Техника эксперимента 25
4.1 Экспериментальные установки 25
4.1.1 Схема с внешней подсветкой 25
4.1.2 Схема с линией продувки 28
4.1.3 Схема для измерения усиления 28
4.2 Методика измерений 31
5. Обсуждение результатов 33
5.1 Внешняя резонансная подсветка 34
5.2 Изменение температуры активной среды 38
5.3 Температурная зависимость коэффициента усиления 40
Заключение 44
Список литературы 46
Первые практические предпосылки для создания оптического квантового генератора были предприняты в 1952 при создании теоретических принципов, описывающих работу мазера (квантовый генератор в микроволновом диапазоне). В 1953 году был разработан первый мазер, данный факт способствовал последующей разработке первого оптического квантового генератора, история которого начинается с 1960 года с создания лазера на кристалле рубина (Al2O3:Cr) в качестве активной среды [1]. С момента разработки первого лазера было изучено множество новых активных сред в различных агрегатных состояниях, предложены новые методики формирования резонаторов для улучшения параметров лазерной генерации, но вопрос о получении перспективных активных сред с лучшими характеристиками открыт по сей день. Твердотельные лазеры на кристаллических структурах получили наибольшее распространение среди остальных активных сред по причине лучших энергетических характеристик и простоты эксплуатации[2].
Сегодня развитие технологий позволяет проводить прецизионную обработку материалов, удаленно контролировать состав окружающей среды, плотно записывать данные и производить множество других сложных операций за счет лазеров. Дальнейшее развитие технологий требует перехода в коротковолновую область спектрального диапазона и использования лазерного излучения с более короткой длительностью импульсов. По этой причине стоит открытый вопрос о поисках оптических квантовых генераторов ультрафиолетового(УФ) диапазона спектра с импульсами короткой и ультракороткой длительностей.
Самым распространенным методом получения излучения УФ диапазона является нелинейное или параметрическое преобразование излучения других лазеров не УФ спектрального диапазона. Данный метод является сложным с технической точки зрения, дорогим и неудобным в эксплуатации. Также лазеры с нелинейным или параметрическим преобразованием не являются перспективными для создания лазеров с перестраиваемым излучением. Газовые лазеры и лазеры на красителях подвержены деградации активной среды либо обладают большими габаритами что неудобно при использовании и транспортировке.
Совершенно другим подходом к получению когерентного излучения УФ диапазона является использование твердотельных материалов, способных генерировать и усиливать излучение УФ диапазона спектра. Таким образом, активное внимание исследователей получили фторидные кристаллы с широкой запрещенной зоной и редкоземельные ионы (РЗИ) [2]. На текущий момент число соответствующих данным требованиям активных сред не превышает десятка, и лишь единицы подходят для получения когерентного излучения УФ диапазона спектра. Первые попытки получить лазерную генерацию в УФ диапазоне были заложены более 30 лет назад, основанные на межконфигурационных переходах РЗИ в диэлектрических кристаллах с широкой запрещенной зоной. Но с переходом в более коротковолновую область спектра возникают явления, ухудшающие характеристики лазерной среды.
Основными процессами, препятствующими образованию лазерной генерации, являются поглощение из возбужденного состояния (ПВС) иона- активатора и образование дефектов, которые в дальнейшем были названы центрами окраски (ЦО) [3]. С другой стороны, известно, что формирование ЦО зависит от кристаллической решетки, в которой они образуются, и их населенностью можно управлять при помощи внешних факторов. Таким образом, ЦО можно использовать как насыщающийся поглотитель с целью получения коротких импульсов за счет пассивной модуляции добротности. Цель работы. Целью данной работы является получение импульсов субнаносекундной длительности в активной среде LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ и исследование влияния внешней факторов на лазерные характеристики активной среды.
В результате данной работы было показано влияние внешней подсветки и температуры на параметры лазерной генерации, выдвинута математическая модель, объясняющая протекающие фотодинамические процессы в активной среде. При помощи разработанной модели были определены ранее неизвестные параметры этих фотодинамических процессов, а именно сечения поглощения лазерной генерации центрами окраски, вероятности образования и деструкции центров окраски. С использованием предложенной модели удалось интерпретировать влияние внешней подсветки, обесцвечивающей центры окраски, на лазерную генерацию активной среды LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+.
В активной среде LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ была получена лазерная генерация в импульсном режиме с длиной волны X = 311 нм и длительностью 1имп = 400 пс при продольной накачке лазерным излучением с длиной волны X = 289 нм и длительностью 1имп = 6,5 нс. Укорочение импульса объясняется за счет фотодинамических процессов в активной среде. Это проявляется в возникновении зависимости потерь от интенсивности лазерной генерации, наподобие насыщающегося поглотителя. Причем возникающий контраст потерь зависит от температуры активной среды, а также изменяется при обесцвечивающей центры окраски подсветке. Значение контраста достигает 50 %. Максимальный дифференциальный КПД в режиме генерации коротких импульсов составил 8,6%. Было показано влияние изменения температуры на энергетические характеристики. Уменьшение температуры на 40оС от комнатной приводит к росту дифференциального КПД в 1,7 раза в режиме генерации коротких импульсов.
В заключении хотелось бы выразить благодарность за направление, готовность поделиться знаниями и всевозможную поддержку научному руководителю, старшему научному сотруднику Низамутдинову А.С., Семашко В.В. за помощь и направление при обсуждении результатов, Кораблевой С.Л. и Марисову М.А. за образцы, предоставленные для проведения экспериментов, Рахимову Н.Ф. за обработку образцов под эксперименты с лазерной генерацией.
