Более эффективное использование излучения накачки привело к росту наибольшей выходной энергии лазера с термоэлектрическим охлаждением и позволило довести ее уровень до 0.14 Дж при энергии излучения накачки равной 0.75 Дж. Дифференциальный КПД по падающей энергии составил 21%.

Была измерена область плавной перестройки длины волны генерации Fe2+:ZnSe-лазера. В неселективном резонаторе с увеличением температуры от 85 К до 255 K длина волны монотонно увеличивалась от 4.00 мкм до 4.17 мкм. С использованием в качестве дисперсионного элемента призмы из CaF2, размещенной внутри резонатора, при неизменной температуре активного элемента 85 K и фиксированной поглощенной энергии 0.27 Дж была осуществлена плавная перестройка длины волны генерации от 3.77 мкм до 4.40 мкм (см.рис. 6).

В третьей главе рассматриваются перспективы использования кристалла Fe2+:ZnSe в качестве пассивного затвора для модуляции добротности резонатора Er:YAG-лазера с целью получения режима генерации гигантских импульсов малой длительности.

Кристалл Fe2+:ZnSe поглощает излучение на длине волны генерации Er:YAG, причем для = 2.94 мкм его сечение поглощения составляет 9.510-19 см2, что приблизительно в 35 раз превышает сечение лазерного перехода иона Er3+ в иттрий-алюминиевом гранате. Следовательно, он может быть использован в качестве пассивного затвора для модуляции добротности Er:YAG-лазера. В настоящей работе с помощью численного моделирования был выполнен предварительный анализ процесса развития генерации Er:YAG-лазера с модулированной добротностью резонатора при помощи модифицированного варианта модели из работ [12, 13].

Экспериментально реализован режим пассивной модуляции добротности резонатора Er:YAG-лазера с ламповой накачкой при помощи кристалла Fe2+:ZnSe. Пороговая энергия накачки при наличии пассивного затвора в резонаторе составляла 49 Дж. При энергиях накачки 78-84 Дж лазер генерировал одиночные гигантские импульсы длительностью 35 нс (удовлетворительно согласуется с длительностью 41 нс, полученной в результате численного моделирования) и энергией 27-30 мДж. При энергиях накачки 85-90 Дж лазер генерировал пару близких по энергии гигантских импульсов с общей энергией 60-62 мДж, следовавших друг за другом через 20 мкс.

Четвертая глава посвящена лазерным характеристикам кристалла Fe :ZnSe при комнатной температуре, достигнутым при накачке с помощью коротких импульсов Er:YAG-лазера с модулированной добротностью резонатора.

Поскольку в литературе отсутствовали данные о значении времени затухания люминесценции уровня 5T2 иона Fe2+ в кристаллической решетке ZnSe при комнатной температуре, используя в качестве источника накачки Er:YAG-лазер с импульсами малой длительности (60 нс), было измерено время жизни уровня 5T2 при температуре 295К. Оно составило 370±25 нс.

Вследствие того, что происходит быстрая релаксация населенности верхнего лазерного уровня, для достижения генерации Fe2+:ZnSe-лазера при комнатной температуре необходима большая мощность накачки. В качестве источника накачки был использован Er:YAG-лазер с модулированной добротностью резонатора, работающий в режиме импульсов малой длительности (60 нс) с энергией до 20 мДж. Методика перестройки длины волны генерации с помощью призмы из CaF2, а также погрешность измерительных приборов приведены в Рис. 7 — Зависимость энергии генерации Fe2+:ZnSe-лазера от длины волны в дисописании содержания второй глаперсионном резонаторе при температуре вы диссертации.

В результате была получена генерация на кристалле Fe2+:ZnSe при комнатной температуре с максимальной энергией 1.4 мДж существенно превышающей ~1 мкДж — результат достигнутый в работе [7]. Дифференциальный КПД по поглощенной энергии составил 17%. В селективном резонаторе с помощью призмы из CaF2 была осуществлена плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне = 3.95-5.05 мкм (см. рис. 7) с длинноволновой границей превышающей достигнутую в работе [7].

Пятая глава посвящена экспериментальной демонстрации работы Fe :ZnSe-лазера в режиме непрерывной генерации.

Активный элемент Fe2+:ZnSe-лазера был вырезан из монокристалла с концентрацией ионов Fe2+ равной ~2.51018 см-3 и располагался внутри криостата на медном хладопроводе, охлаждаемом жидким азотом. Накачка кристалла Fe2+:ZnSe осуществлялась излучением непрерывного Cr2+:CdSe-лазера, подробное описание которого можно найти в [14]. (Кристалл Cr2+:CdSe — активный элемент лазера также принадлежит классу кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов).

Близкий к полуконцентрическому резонатор Fe2+:ZnSe-лазера был образован плоским зеркалом с коэффициентом отражения близким к 100% и выходным сферическим ( R = 50 мм) зеркалом. В экспериментах использовались выходные зеркала с пропусканием 2.9, 10.2, 17 и 34.5% в спектральной области генерации лазера. Поскольку рабочая грань кристалла, обращенная к выходному зеркалу, располагалась перпендикулярно оптической оси резонатора, выходным зеркалом Fe2+:ZnSe-лазера фактически служил интерферометр Фабри-Перо, образованный этим зеркалом и гранью кристалла Fe2+:ZnSe с френелевским отражением 17%. Поэтому при оценке пассивных потерь излучения в резонаторе в качестве коэффициента пропускания зеркала использовалась величина минимального пропускания этого интерферометра TФП.

В настоящей работе впервые реализован непрерывный режим генерации Fe2+:ZnSe-лазера. Достигнута выходная мощность лазера 160 мВт при дифференциальной эффективности по поглощенной мощности накачки 56%. С учетом соотношения энергий квантов генерации и накачки это соответствует дифференциальной квантовой эффективности 76%.

Используя значения дифференциальной эффективности Fe2+:ZnSeлазера для разных коэффициентов пропускания резонатора TФП, при помощи модели из работы [15] была произведена оценка потерь лазерного излучения за полный обход резонатора L и предельного КПД лазера 0 в соответствии с зависимостью:

Величина потерь не превышала 3.7%, следовательно (предполагая, что все потери определяются только внутренними потерями в кристалле) коэффициент поглощения на длине волны генерации составляет не более 0.024 см-1, что доказывает высокое качество оптического элемента. Предельный КПД лазера в модели [15] вычисляется по формуле:

где p — длина волны излучения накачки, g — длина волны излучения генерации, p — эффективность использования излучения накачки, ESA — сечение поглощения с верхнего лазерного уровня, — сечение лазерного перехода. Полученное 0 = 67% близко к максимально возможному значению КПД лазера 73%, определяемого отношением квантов генерации и накачки, что свидетельствует об отсутствии заметного поглощения с возбужденного уровня и хорошем согласовании области накачки и модового объема резонатора лазера.

Fe2+:ZnSe-лазер генерировал излучение, спектр которого лежал в пределах длин волн 4.04-4.08 мкм в зависимости от выходного зеркала.

Ширина спектра излучения составляла ~10 нм.

В шестой главе исследуется спектральная динамика Fe2+:ZnSe применительно к задачам метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС). Значительное внимание уделено особенностям установки и методам обработки результатов. Результаты представлены в виде иллюстраций спектров и графиков.

Метод ВРЛС, предложенный в 1970 году в ФИАНе [16], является одним из высокочувствительных методов абсорбционной спектроскопии [17].

Для его реализации необходимо, чтобы однородная ширина контура усиления лазера значительно превосходила ширину линии поглощения исследуемого вещества. Это позволяет скомпенсировать потери в резонаторе на зеркалах и оптических элементах, расположенных на оси, поскольку они слабо зависят от длины волны генерации в пределах контура усиления лазера. А потери, обусловленные наличием поглотителя с малой шириной линии поглощения, приводят к возникновению провалов в спектре излучения лазера при развитии генерации. Причем глубина провалов увеличивается со временем развития генерации в соответствии с формулой [17]:

где 0 — частота, соответствующая максимуму контура исследуемой линии поглощения; t — время, отсчитываемое от момента возникновения генерации; I (0 ) — интенсивность генерации в центре спектрального провала; I 0 ( 0 ) — значение интенсивности, соответствующее огибающей спектрального распределения излучения лазера в центре провала; k ( 0 ) — коэффициент поглощения исследуемого вещества для частоты 0 ;

Lэфф — эффективная длина пути, характеризующая путь, который свет проходит за время развития спектрального провала с учетом коэффициента заполнения резонатора поглотителем; c - скорость света; t 0 — время скрытого развития генерации, обусловленное в твердотельных лазерах существенным превышением времени жизни верхнего лазерного уровня над временем жизни фотона в резонаторе; l — толщина поглощающего слоя, d — оптическая длина резонатора. Отношение называется коd эффициентом заполнения резонатора.

Активный элемент Fe2+:ZnSe-лазера обладает широким спектром люминесценции (см. рис. 3), а лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн (см. рис. 6), для которого ранее не были реализованы внутрирезонаторные лазерные спектрометры, поэтому была поставлена задача исследования возможности применения этого лазера в методе ВРЛС. В качестве поглотителя использовалась смесь метана (CH4) с атмосферным воздухом в соотношении 1:100, которой наполнялась кювета, расположенная внутри резонатора, при комнатной температуре и давлении, равном 1 атм. Чтобы уменьшить селективные по длине волны потери, обусловленные интерференцией на параллельных плоскостях, все элементы внутри резонатора были расположены под углом Брюстера относительно его оси, а зеркала были нанесены на клиновидные подложки. Для удобства регистрации ИК излучение Fe2+:ZnSe-лазера преобразовывалось в видимый диапазон с помощью сложения частот импульсом ( =10 мкс) монохроматического (0.05 см-1) излучениия Nd:YAG-лазера в нелинейном кристалле LiNbO3, нагретом до температуры ~530°C для достижения синхронизма. Это позволяло не только использовать в качестве детектора ПЗС линейки, чувствительные к видимому диапазону спектра, но и наблюдать за развитием спектральной динамики Fe2+:ZnSe-лазера во времени, меняя задержку между запуском преобразующего Nd:YAG-лазера и Fe2+:ZnSeлазера, и переводя в видимый диапазон только малый временной интервал генерации последнего. Остальное излучение убиралось при помощи светофильтров. Спектральное распределение сигнала записывалось с помощью дифракционного спектрографа. Точность регистрации спектра Fe2+:ZnSe-лазера по частоте (с учетом разрешения спектрографа и ширины спектра Nd:YAG-лазера, используемого для преобразования) составляла около 0.05 см-1.

На рис. 8(в) и 8(г) представлены модельные спектры поглощения исРис. 8 — Спектральные распределения излучения Fe2+:ZnSe-лазера, записанные с задержками 20 мкс (а) и 40 мкс (б) при заполнении газовой кюветы смесью воздух:метан=100:1 до полного давления 1 атм, и расчетные спектры поглощения этой же смеси, полученные на основании данных HITRAN [18] для толщин поглощающего слоя 0.68 км (в) и 1.14 км (г) с учетом огибающей экспериментального пользовавшейся в экспериментах смеси, построенные с учетом огибающей экспериментальных спектров генерации Fe2+:ZnSe-лазера для длин поглощения соответственно 0.68 и 1.14 км [18]. Эти значения равны эффективным поглощающим длинам для экспериментальных условий, при которых были получены показанные на рис. 8(а) и 8(б) спектры. При моделировании использовалось значение t0 = 10 мкс, при котором было достигнуто удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных спектров.

Для количественного исследования динамики внутрирезонаторного поглощения нами был выбран спектральный провал с центром на частоте 0 = 2438.56 см-1, отмеченный на рис. 8 стрелкой. Он соответствует трем частично перекрывающимся линиям метана с частотами 2438.5109, 2438.5282 и 2438.5885 см-1 [18]. У спектров с разными задержками было графически определено значение огибающей I 0 (,t) и интенсивности сигнала с учетом поглощения I(,t) для выбранной длины волны. По полученным данным был построен график зависимости ln ( I0 (,t) / I(,t)) от t (рис.9), который согласно формуле (3), должен быть линейным.

Из рис.9 видно, что линейное нарастание сигнала внутрирезонаторного поглощения наблюдается вплоть до 80 мкс от начала генерации, что соответствует эффективной поглощающей длине ct = 24 км при коэффициенте заполнения резонатора близком к единице.

В зарегистрированных нами спектрах уровень минимального детектируемого поглощения определялся шумами в спектре генерации лазера.

Из-за этого при максимальной длительности генерации мы могли обнаруживать линии поглощения, которые приводили к спектральным провалам с относительной глубиной более 25% (см.рис.8). Если считать, что надежно детектируются линии с относительной глубиной 1 e = 63%, то Fe :ZnSe-лазера обеспечивает слабых линий поглощения не времени t, отсчитанного с начала генерации В заключении сформулированы основные результаты работы.

В лазере на монокристалле Fe2+:ZnSe, выращенном из паровой фазы с одновременным легированием, получена генерация при низких (85-255 К) и комнатной температуре (при накачке импульсами с большей средней мощностью). Достигнуты дифференциальный КПД 43% по поглощенной энергии накачки (при 85 К) и суммарный диапазон непрерывной перестройки длины волны генерации в селективном резонаторе (3.77мкм при температуре 85 К и 3.95-5.05 мкм при температуре 295 К).

Эти параметры превышают значения, достигнутые ранее в лазерах на кристаллах Fe2+:ZnSe, выращенных на основе других технологических процессов.

2. Получен режим пассивной модуляции добротности резонатора Er:YAG-лазера с длиной волны генерации = 2.94 мкм при помощи кристалла Fe2+:ZnSe. Эффективность преобразования (отношение энергии гигантского импульса к соответствующей выходной энергии лазера в режиме свободной генерации) составила 20%.

Впервые реализован непрерывный режим генерации Fe2+:ZnSeлазера. Достигнута выходная мощность лазера 160 мВт при дифференциальной эффективности по поглощенной мощности накачки 56%.

4. Впервые экспериментально реализован метод ВРЛС на основе Fe :ZnSe-лазера. Линейный рост чувствительности спектра генерации Fe2+:ZnSe-лазера к внутрирезонаторному поглощению наблюдался при увеличении длительности генерации до, по меньшей мере, 80 мкс, что при полном заполнении резонатора поглощающим веществом позволяет реализовать эффективную длину поглощения более двадцати километров и измерять коэффициент поглощения до ~10-7 см-1.

Публикации по теме диссертации:

1. А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов // Лазер на кристалле Fe:ZnSe, выращенном из паровой фазы // Краткие сообщения по физике ФИАН, № 2, 39- (2004).

2. В.А.Акимов, А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов // Эффективный ИК лазер на кристалле ZnSe:Fe с плавной перестройкой в спектральном диапазоне 3.77-4.40 мкм // Квантовая электроника, т. 34, № 10, 912-914 (2004).

3. А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов // Лазерные характеристики кристалла Fe:ZnSe в диапазоне температур от 85 до 255 K // Квантовая электроника, т. 35, № 9, 809-812 (2005).

4. А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, В.Г.Полушкин, М.П.Фролов // Пассивный затвор на основе монокристалла Fe2+:ZnSe для модуляции добротности лазеров трехмикронного диапазона // Квантовая электроника, т. 36, № 1, 1-2 (2006).

5. V.A.Akimov, M.P.Frolov, Yu.V.Korostelin, V.I.Kozlovsky, A.I.Landman, Yu.P.Podmar’kov, A.A.Voronov // Vapour growth of II-VI single crystals doped by transition metals for mid-infrared lasers // Phys. stat. sol. (c) 3 (4), 1213- (2006).

6. В.А.Акимов, А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов // Эффективная лазерная генерация кристалла Fe2+:ZnSe при комнатной температуре // Квантовая электроника, т. 36, № 4, 299-301 (2006).

7. V.V.Fedorov, S.B.Mirov, A.Gallian, D.V.Badikov, M.P.Frolov, Yu.V.Korostelin, V.I.Kozlovsky, A.I.Landman, Yu.P.Podmar’kov, V.A.Akimov, A.A.Voronov // 3.77-5.05-m Tunable Solid-State Lasers Based on Fe2+-Doped ZnSe Crystals Operating at Low and Room Temperatures // IEEE J.Quantum Electronics, V. 42, № 9, 907-917(2006).

8. В.А.Акимов, А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, М.П.Фролов // Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Fe2+:ZnSe-лазера // Квантовая электроника, т. 37, № 11, 1071-1075 (2007).

9. А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, Я.К.Скасырский, М.П.Фролов // Fe :ZnSe-лазер, работающий в непрерывном режиме // Квантовая электроника, т. 38, № 12, 1113-1116 (2008).

10. В.А.Акимов, А.А.Воронов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, Я.К.Скасырский, М.П.Фролов, А.А.Белов, В.А.Ильевский, А.П.Калинин, И.Э.Раздольский, И.Д.Родионов, А.И.Родионов // Лазерная система, позволяющая получать излучение на трех длинах волн вблизи 1.9, 2.9 и 4 мкм // Препринт №906 Института проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН, г.Москва, 1-45 (2009) Список цитируемой литературы [1] B.Jean, T.Bende //Mid-IR laser applications in Medicine // Springer Berlin/Heidelberg, 89/2003 “Solid-state mid-infrared laser sources”, 530- (2003) [2] L.D.DeLoach, R.H.Page, G.D.Wilke, S.A.Payne, W.F.Krupke //Transition metal-doped zinc chalcogenides: spectroscopy and laser demonstration of a new class of gain media // IEEE Journal of Quantum Electronics, 32, №6, 885-895 (1996) [3] I.T.Sorokina //Cr2+-doped II-VI materials for lasers and nonlinear optics // Optical Materials 26, 395-412 (2004) [4] U.Demirbas, A.Sennaroglu //Intracavity-pumped Cr2+:ZnSe laser with ultrabroad tuning range between 1880 and 3100 nm // Optics Letters, 31, №15, 2293-2295 (2006) [5] S.Kuck //Spectroscopy and laser characteristics of Cr2+-doped chalcogenide crystals – overview and recent results // Journal of Alloys and Compounds, 341, 28-33 (2002) [6] J.J.Adams, C.Bibeau, R.H.Page, D.M.Krol, L.H.Furu, S.A.Payne //4.0-4.5 m lasing of Fe:ZnSe below 180 K, a new mid-infrared laser material // Optics Letters, 24, №23, 1720-1722 (1999) [7] J.Kernal, V.V.Fedorov, A.Gallian, S.B.Mirov, V.V.Badikov //3.9-4.8 m gain-switched lasing of Fe:ZnSe at room temperature // Optics Express, 13, №26, pp.10608-10615, (2005) [8] R.H.Page, K.I.Schaffers, L.D.DeLoach, G.D.Wilke, F.D.Patel, J.B.Tassano, S.A.Payne, W.F.Krupke, K.-T.Chen, A.Burger //Cr2+-doped zinc chalcogenides as efficient, widely tunable mid-infrared lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics, 33, №4, 609-617 (1997) [9] Yu.V.Korostelin, V.I.Kozlovsky, A.S.Nasibov, P.V.Shapkin //Vapour growth and characterization of bulk ZnSe single crystals// J.Crystal Growth, 159, 181 (1996).

[10] M.J.Weber // Handbook of Lasers // CRC Press LLC (2001) [11] J.J.Adams // New crystalline materials for nonlinear frequency conversion, electro-optic modulation, and mid-infrared gain media // Lawrence Livermore National Laboratory, PhD Theses (2002) [12] S.Georgescu, O.Toma // Er:YAG three-micron laser: performances and limits // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 11, №3, 682-689 (2005) [13] S.Georgescu, V.Lupei // Q-switch regime of 3-m Er:YAG lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics, 34, №6, 1031-1040 (1998) [14] В.А.Акимов, В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, А.И.Ландман, Ю.П.Подмарьков, Я.К.Скасырский, М.П.Фролов // Эффективная генерация Cr2+:CdSe-лазера в непрерывном режиме //Квантовая электроника, 37, (2007) [15] J.A.Caird, S.A.Payne, P.R.Staber, A.J.Ramponi, L.L.Chase, W.F.Krupke //Quantum electronic properties of the Na3Ga2Li3F12:Cr3+ laser //IEEE J.Quantum.Electron., 24, 1077-1099 (1988) [16] Л.А.Пахомычева, Э.А.Свириденков, А.Ф.Сучков, Л.В.Титова, С.С.Чурилов // Линейчатая структура спектров генерации ОКГ с неоднородно уширенной линией усиления // Письма в ЖЭТФ, Т. 12, вып. 2, 60- (1970) [17] V.M.Baev, T.Latz, P.E.Toschek // Laser intracavity absorption spectroscopy // App.Phys.B, 69, 171-202 (1999).

[18] The HITRAN Database (high-resolution transmission molecular absorption database) (www.hitran.com).