книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

ПРЕДИСЛОВИЕ

Еще десятилетие назад основными активными средами кристаллических лазеров широкого применения были рубин (А120 3—Сг3+) и активированные ионами Nd3+ гранат Y3А150 12 и алюминат YA103, образующиеся в одной физикохимической системе Y20 3—А120 3. В этих трех кристаллах процесс генерации протекает по-

классической	трехуровневой (для ионов Сга+ рабочий канал 2Е -*-4А 2) и четы­
рехуровневой	(для Nd3-f —4^з/г 4/п/г, и/3) функциональным лазерным схемам.

Вте годы также уже использовалось преобразованное во вторую гармонику из­ лучение этих лазеров. Для исследовательских целей и для решения отдельных прикладных задач применялись, конечно, лазеры и на основе других активи­ рованных соединений, перечень которых был уже достаточго обширным. В конце 70-х годов кристаллические лазеры вступили в период их массового применения

втехнике, медицине, технологии, а также для изучения многочисленных эко­ логических проблем. Указанный выше небольшой арсенал кристаллов для про­ мышленно выпускаемых лазеров стал быстро увеличиваться за счет открытых и уже известных генерирующих в других спектральных диапазонах соединений.

Взначительной степени этому способствовали и результаты фундаментальных поисковых исследований новых лазерных кристаллов, и достигнутое понимание природы многочисленных физических процессов, протекающих в активирован­ ных неорганических соединениях в условиях интенсивного возбуждения п гене­ рации стимулированного излучения. Кроме «неодимовых», которые непрерывно продолжают совершенствоваться, активно развиваются и находят свои области применения «эрбиевые», «гольмиевые», «туллиевые» и в последние годы «празеодимовые» кристаллические лазеры, эффективно генерирующие при ком­ натной температуре в неосвоенных участках оптического спектра — от видимого до среднего инфракрасного диапазона с использованием обычной техники лам­ повой накачки. Свой облик изменили и «хромовые» кристаллические лазеры — если ранее они излучали на фиксированных длинах волн, то новые соединения (фтор- и кислородсодержащие) с ионами Сг3+ позволяют получать перестраи­ ваемое стимулированное излучение, которое соответствует электронно-коле­

бательному переходу 4Тг 4А2. Эту группу лазеров прекрасно дополнили ла­ зеры на основе недавно открытого семейства ацентричных соединений со струк­ турой Са-галлогерманата, обладающих уникальным сочетанием ценных физи­ ческих свойств, в том числе и рекордно широкой (•—- 3300 см-1) полосой пере­ стройки длины волны генерации ионов Сг3+. Не менее протяженным диапазоном перестройки обладают кристаллы А120 3 с ионами Ti3+. Этот материал в послед­ нем пятилетии был объектом изучения многих лазерных центров мира. Иссле­ дования ташке свидетельствуют о том, что и у Ьп3+-актпваторов широкополос­ ное перестраиваемое стимулированное излучение можно возбуждать как на 5d—4/, так и на 4/—4/ их переходах. Это направление работ также представ­ ляется чрезвычайно перспективным. На подходе к практическому использо­ ванию сейчас находится новое поколение кристаллических лазеров — лазеров высокоэффективных и с большим ресурсом работы, в которых накачка будет осуществляться излучением мощных полупроводниковых лазеров. Все возра­ стающий интерес специалистов к разноволновым и с большим функциональным потенциалом кристаллическим лазерам дает основание надеяться, что в бли­ жайшие годы найдут широкое применение лазеры, генерирующие по много­

уровневым рабочим схемам, физические основы которых разрабатывались на протяжении многих прошедших лет. Большая часть предлагаемой монографии и посвящена описанию многоуровневых функциональных схем возбуждения генерации стимулированного излучения в кристаллах, активированных Ln3+- ионами. Наибольшее внимание при этом уделено физике протекающих в них процессов и аспектам их спектроскопической особенности.

В первой части книги коротко рассмотрена история физики и спектроскопии лазерных диэлектрических кристаллов с анализом основных этапов их разви­ тия. Перечислены все известные лазерные кристаллические матрицы и их активаторные ионы. Подробно описаны все открытые к настоящему времени каналы стимулированного излучения ионов лантаноидов, актинидов и переходных ме­ таллов, а также особенности и свойства новых лазерных схем Бп3+-активаторов. В главах второй части монографии приводятся результаты изучения структуры энергетических уровней генерирующих ионов и интенсивности их переходов — как излучательных, так и безызлучательных. Здесь содержится обширная спра­ вочная информация, которая занимает почти половину объема книги. В после­ дующих главах подробно проанализированы большинство из известных много­ уровневых функциональных схем возбуждения лазерной генерации у кри­ сталлов с Ьп3+-ионами. Особое внимание уделено каскадным и кросскаскадным схемам. Каскадный принцип открыл путь получения стимулированного излу­ чения в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны более четырех микрон. Ступенчатые и ап-конверсионные схемы позволяют возбуждать генерацию трех­ валентных лантаноидов с длиной волны короче, чем длина волны излучения источников накачки. Они также позволяют преобразовывать одно лазерное из­ лучение в другое (изменять, например, спектральный состав). Кроссрелаксационные схемы улучшают условия возбуждения генерации и повышают общую энергетическую эффективность кристаллических лазеров. Такую же роль вы­ полняют многочисленные сенсибилизационные лазерные схемы. Селективная накачка — это возбуждение генерации активированных кристаллов излуче­ нием полупроводниковых или других типов лазеров. Завершает монографию глава, посвященная этому перспективному направлению исследований. Несом­ ненно, что следующим поколением кристаллических лазеров будут лазеры с по­ лупроводниковой лазерной накачкой.

Предлагаемая монография не может претендовать на исчерпывающий анализ всех работ, которые ведутся в нашей стране и за рубежом по физике и спектро­ скопии генерирующих активированных кристаллов, она преследует более скромную цель — подвести итоги многолетнего поиска и изучения многоуров­ невых функциональных лазерных схем Ьп3+-активаторов и обратить внимание исследователей на исключительную перспективность этих схем для создания новых типов кристаллических лазеров.

ЛАЗЕРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ИХ СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Глава 1

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

(историческая справка)

Введение

Более чем четвертьвековая история физики кристаллических лазеров — ла­ зеров на основе активированных диэлектрических кристаллов — имеет несколь­ ко периодов, в каждом из которых фундаментальные исследования, будь это решение поисковых задач, например увеличение арсенала лазерных кристал­ лических матриц и их активаторов, или углубленное изучение обуславливающих в них генерацию стимулированного излучения (СИ) процессов, проводились с повышенной активностью. Эти периоды характеризуются своими актуальными проблемами, на постановку которых в числе общих факторов развития физики и спектроскопии лазерных кристаллов определенное влияние оказывали яркие достижения лазерной техники и новые области применения лазеров. Такое циклическое развитие физики лазерных кристаллов и, в частности, физики кристаллических лазеров подтверждается анализом достижений этих соврелщнных научных направлений, которые были получены за годы, прошедшие с мо­ мента создания первого лазера на основе рубина [1]. Воспользуемся графиками рис. 1.1, которые были построены только на основе результатов поисковых ис­ следований, поскольку их завершенность легче всего конкретизировать времен­ ными и численными данными. Такой анализ впервые был проведен пятнадцать лет назад [2], здесь его продолжим с незначительной дополнительной детали­ зацией. В качестве отдельного конкретного достижения представленных на рисунке графиков бралось либо создание новой лазерной кристаллической мат­ рицы, либо успешное применение в качестве генерирующего иона ранее не ис­ пользованного активатора, либо открытие лазерного эффекта на волне нового межмультиплетного канала СИ известного генерирующего иона. График рис. 1.1, а учитывает год публикации, а график рис. 1.1, б — год завершения статьи, сообщающей о данном достижении. На наш взгляд, последний график более объективно отражает развитие проблемы в историческом аспекте.

За время первого периода были получены принципиальные сведения о самом явлении генерации СИ активированных кристаллов и созданы первые кристал­ лические лазеры на их основе, опыт использования которых в различных об­ ластях науки и техники наметил стратегию будущих поисковых исследований. Специалисты при этом в значительной степени опирались на знания, приобретен­ ные при решении задач физики мазерных кристаллов, которая в конце 50-х и начале 60-х годов испытывала бурное развитие [3—5]. Ярким историческим фак­ том является и то, что первой лазерной активной средой стал один из самых изученных мазерных материалов — рубин (А120 3—Сг3+). Знаменательно также, что среди пионеров-лазерщиков много известных ученых в области кристалли­ ческих мазеров. Они перенесли в физику лазерных кристаллов п с большой эффективностью использовали надежно зарекомендовавшие себя эксперимен­ тальные и теоретические методы поиска новых генерирующих активированных кристаллов. Этим существенно было ускорено развитие физики и техники кри­ сталлических лазеров. Неудивительно также, что в названиях первых публи-

Рис. 1.1. Развитие поисковых исследований по физике'[лазерных кристаллов с 1960 но 1988 г.

Пояснения в тексте

наций по кристаллическим лазерам чаще всего встречаются слова «оптический мазер». Преемственность в те годы проявлялась во многом. Трех- и четырех­ уровневые функциональные схемы, всесторонне изученные в мазерной физике, были успешно применены и в кристаллических лазерах. Из них четырехуровне­ вая схема не только впоследствии стала основной рабочей схемой кристалли­ ческих лазеров, но на ее базе было создано много новых многоуровневых функ­ циональных схем для возбуждения генерации СИ активированных кристаллов, среди которых каскадные схемы [6, 7] и схемы со ступенчатым возбуждением [8, 9] (некоторые из них используют эффект ап-конверссии) наиболее интересны и перспективны [10, 111. В «мазерный» период развития физики кристаллических лазеров была открыта генерация вынужденного излучения более чем у 60% из всех известных сейчас активаторных ионов, среди которых двух- и трехва­ лентные ионы лантаноидов (Ln) и группы железа (ТМ)„ а также трехвалентный уран. В эти годы были заложены теоретические [12, 131 и экспериментальные основы лазеров на активированных кристаллах, генерирующих на волнах элект­ ронно-колебательных переходов. Открывшиеся практически безграничные перспективы применения лазеров на первый план выдвинули ряд серьезных проблем. Применительно к кристаллическим лазерам — это прежде всего проб­ лема высокой эффективности и низкого порога возбуждения СИ при 300 К с лам­ повой накачкой. Уже в конце первого периода был предложен эффективный спо­ соб повышения КПД, основанный на явлении сенсибилизации — передаче энергии электронного возбуждения от ионов-сенсибилизаторов к генерирующим ионам [14]. К настоящему времени разработано более десяти различных вариан­ тов сенсибилизационных лазерных схем [10, 151. В 1964 г. был открыт эффект генерации СИ у кристалла Y 3A150 12 с ионами Nd3+ [161. Эта активная среда ши­ роко используется в лазерной технике и постоянно совершенствуется.

Несмотря на сравнительно невысокие количественные показатели, второй период ознаменовался рядом достижений, которые оказали огромное влияние на все последующее развитие физики и техники кристаллических лазеров. В эти годы предложен другой способ повышения эффективности лазеров на основе кристаллов с Ьп3+-ионами [17, 18]. В основе его лежит поиск и создание кристаллов с разупорядоченной структурой, где Ьп3+-активаторы обеспечивают

диапазон, в этих исследованиях наряду с фторидами [50—55] стали важную роль играть и кислородсодержащие кристаллы [56], которые, как свидетельствуют эксперименты, способны генерировать при 300 К с ламповой накачкой. Первые обнадеживающие опыты проведены по возбуждению СИ в УФ-диапазоие с иона­ ми Се3+ и Nd3+, генерация в этих случаях происходит на межконфигурационных 5d—4 /переходах [57—59], а также с использованием каскадных схем в четырех-

ипятимикронном диапазонах [60, 61]. Усовершенствованные сенсибилизационные схемы, в некоторых примерах их сочетание с кросс-релаксациониыми, поз­ волили при 300 К возбудить эффективную генерацию в двух- и трехмикронных областях спектра (Но3+ [62, 63] и Ег3* [47]). Принципиально новое решение по­ лучил метод лазерной накачки, где несколькими разноволновыми ИК-лазерами последовательно возбуждаются уровни высоколежащих мультиплетов Ln3+- активаторов для получения СИ в видимом диапазоне [64]. В [11] показано пре­ имущество и реализован целый ряд лазерных кристаллических конверторов на основе соединений с Ьп3+-активаторами. Открыты новые спектрально-гене­ рационные свойства иттербиевых фторидных кристаллов [65, 66]. Предложены

инаходят реализацию оригинальные инженерные решения по использованию полупроводниковых лазеров в виде цепочек или других группировок в качестве источников накачки лазерных кристаллов с Ьп3+-ионами [67—73]. Созданы новые типы разупорядоченных кристаллических лазерных матриц с уникальным

сочетанием физических свойств. Здесь в первую очередь необходимо указать на тригональные соединения со структурой Са-галлогерманата, генерационные свойства которым придают активаторы N d34' и Сг34" [74—76]. В частности, у кристаллов этого обширного семейства La3Ga5Si014 и La3Ga5i 6Nb0, 50 14 с иона­ ми Сг3+ в пх октаэдрических позициях при 300 К реализована рекордная по ширине полоса (■—3300 см-1) плавной перестройки длины волны СИ (канал *Т2 — 4Л 2), причем у последнего с ИК-границей около 1,25 мкм ы с достаточно высоким КПД [77]. В [78] показан путь для фундаментальных исследований явления самоумножения частоты перестраиваемого СИ ионов Сг3+ в ацентрнчных кристаллах со структурой Са-галлогерманата. За последние годы диф­ ференциальный КПД лазеров на основе активированных гранатов, генерирую­ щих при 300 К с ламповой накачкой, превысил 5% [79].

Одной частью материальной базы современной квантовой электроники яв­ ляются лазерные активированные кристаллы, причем она не имеет себе равных по разнообразию физических свойств и генерационным возможностям среди известных типов лазерных конденсированных сред [15, 32, 81]. Имеются все основания надеяться, и об этом свидетельствуют приведенные данные рассмот­ рения некоторых исторических аспектов проблемы, что с каждым годом арсенал лазерных кристаллов будет расширяться и кристаллические лазеры будут на­ ходить новые области применения.

1.1.Лазерные фтор-

икислородсодержащие кристаллические матрицы

иих активаторные ионы

Внастоящее время в распоряжении исследователей находится около 250 кри­

сталлических матриц, лазерные свойства которым придают ионы: Ln3+ — (Се3+, Ргз+, Nd3+> Sm3+, Eu3+) ТЬз+1 0 у з+1 Ноз+5 Ег»+, Т т з+ и Yb3+), Ln2+— (Sm2+, Dy2*

и Tm2+), TM3+ — (Ti3+ и Cr3+), TM24"— (Ni2+, Co2+ и V24"), а также трехвалент­ ный уран — первый представитель актинидов (Ас) и дефект-центр 1 [82]. По спектрально-генерационным свойствам лазерные кристаллические матри­ цы подразделяются на два типа [2, 10] — простые с упорядоченной структу-

1 Не исключено, что генерирующий дефект-центр, обнаруженный в [82], не что иное, как

неидентифшщровэнный ТМ-активатор, например Fe3+ или Сг1+.

Таблица 1.1. Фторидыые лазерные кристаллы с упорядоченной структурой с 1ль и Ас-активаторами [2, 10, 80]

1 Кристалл

LiYF*

Li(Y,Er)F4

LiErF4

LiHoF*

LiYbF4

LiLuFi

KY3F10

K5NdLi2F10

CaF2

CaF2 *

SrF2

BaF2

BaMgF4

BaY2Fe

BaEr2Fs

BaTm2F*

BaYb2F8

LaF3

CeF3

PrF3

TbF3

HoF3

ErF3

Про­ странст­ венная	группа Количе­ ствока­ налов СИ	и
		+
		Ъ
	|
г б	33	+
U4/i
	2
	5
	3
	6
	15
	2
	1
	10
o l	4
	5
о \	2
	1
C2h	15
C2h	5
С\ h	1
0\и	13
DU	9.	+
DU	2

	DU	1
		1
	o i l
	D l l	1
		1
	o i l

* Кристаллы содержат кислород.

4-	•f*	-f
		99
г.	£	В
Pi

++

+

++

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

+

+

Активаторный ион

+	4.	ч-		+	+	+	4-
	я		■+	0%	о
0		я		В		в	N
д	>»	О	Р=5				>»
Н	Q	Я				со	Q
+	+	+	-f-	+
		+	1
			т
			+
		+
		+	+	+
		+	+

+ +

+ + +

++

+ +

+ +

+

+ + +

+ +

+

+ + + +

++

+

+

+	4-
В	к
С-1	Z*

++

+

+

Таблица 1.2. Фторидныо лазерные кристаллы с упорядоченной структурой с ионами (активаторами) группы железа [2, 10, 80, 211, 257]

	Простран-	Количество	Активаторный ион
Кристалл
	ствеинап	каналов СИ	Со2+	Ni2+	Сгн-
	группа	V3*
LiCaAlFe		1			+
Na3Ga2Li3Fi2	О)?	1

	Простран­	Количество		Активаторный ион
Кристалл
	ственная
		каналов СИ
	группа		V2+	СоЧ	Ni2+	Сг=Ч-
MgF2		3	+	+	+
KMgFj	o \	2		+	+
KZnF,	0 \	2		+	+
MnFj		1			+
ZnF2		1		+
SrAlFs	C\	1				+
CsCaFj	OK	1	+

Таблица 1.3. Оксидные лазерные кристаллы с упорядоченной структурой с Ьп3+-активаторами [2, 10,80]

Кристалл

LiNbOj

LiPrPtOis

LiNdPtOi2

NaYGeO*

NaGdGeOi

NaLuGeOi

NaNdP*Oii

KY(MoOi)*

KY( WO*)2

KNdP*012

KGd(WO*)*

KEr(WOt)*

KLu(WO*) 2

CaMgiY*GesOu

СаАЦОт

CaAluOi*

CaSczOi

Ca3(V0i)i

Ca3GaiO«

CajGajGeiOi*

Пространст­ венная группа

Clv

OIK

OIK

OIK

Dl \

O k

c \

O k

0 \ K

0 \ K

O f

c k D k

c k o f .

Of

Количе­ ство каналов СИ

4

3

2

2

2

2

2

2

9

2

7

3

6

2

3

1

2

1

2

3

г

Рг3+ Nd3+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Активаторный ион

Eu3+ Но3+ Ег3+

+

++

++

+

++

-

+

+

Т т Н УЬ*+

+

Кристалл

Са (NbOa) г СаМоО*

C aW O i

Sc2 S i0 5

R b N d (W O * h

SrA U O ,

SrA lizO io

ЭгМоОд

SrW O t

YzCh

У А Ь(В О з)* Y A 103

Y sA l50 i2

Y 2SiOs

Y P ,0 « *

Y 3 SC2A I3O 12

Y 3Sc2Ga30 i 2

Y V O 4

Y 3Fe*>Oi2

Y 3G a50i2

(Y, Е г)А 10з

(Y, E r) aAloOia (Y, Y b )3AbO i2 (Y, L u) 3А1йО|2

C sL a(W O *)2

C sN d (M o 0 4)*

Bao,25Mg2,75Y2G03Oi2

B aG d2(M o04)4

L 3 2 B 6 2 O5

ЬйгОз LaAlOa Ь аР зО и

L aG aG e207

L a N b 0 4

Пространст­ венная группа

c l h Clh C\h Dk

c lu n Dl

o;«

C6

C2h

0 \K

Ojo

O}0

Dlh

Ojo

Ofo

0}?

°k°

o r

» i d

О}?

C lk

O l

D ld D l<i 0 \ h

c b

U2/i

c 9 U2h

Количе­ ство каналов СИ

8

3

8

2

1

2

2

3

2

3

1

21

16

3

3

3

5

5

1

5

4

4

1

1

1

1

1

1

2

1

1

2

2

4

Активах орный ]ион

Рг3+	Nd3+ Eu3+	Но3-!-	Ег3+	ТЩЗ+
+	+	+	+	+
	+	+		+
+	+	+	+	+
	+
	+
	+
	+

++

	+	+	+	+
	+	+
	+
+	+	+	+	+
	+	+	+	+

+ +

++

+		+	+
+		+	+	+
+	4-	+		+
		+
+		+	+
		+	+	+
		+	+	+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

++

Кристалл

(La, Lu) з (Lu, Ga)2Ga3Oi2

CePsOu

PrP5Oi*

NdAlj(BOs)t **

NdPjOu,

NdaGasOia

NdGaGe207

Gd203

GdAlOj

GdScOa

GdaSczAlsOiz

GdsScaGaaOia

Gd3Ga5Oi2

GdGaGezO?

Gd2(MoO*)3

(Gd,Er)3Al50 12

H03AI5OJ2

HojSc2AlaOi2

Ho3Ga5Oi2

Er20 3

ErAlOs

Er3AUOi2

Er2SiOs

Er3Sc2Al30 i2

ErVO*

(Er, Tm, Yb) 3Al50 i2 (Er,Yb)sAl50 12 (Er, Lu) 3AI5O12 (Er, Lu) AlOs Tm3AljOi2 Yb3AI50i2 (Yb,Lu)3AlsOi2 LuAlOs

Lu3AI50 i2

Пространст­ венная группа

0\° oth O l

olh O f e lk C\h

Ц ‘ т O f

o f O f

Olh 0 1 O f O f O f O f

n

o i l O f

o f o i l o f

O f o f

Dl \ O f o f o f

4 [

0 »

Количе­ ство каналов СИ

l

l

2

1

1

1

2

1

4

1

5

8

9

2

1

2

1

1

1

2

4

5

1

1

1

1

1

3

2

1

3

1

5

14

РгН

+

Активаторный ион

Nd34- Eu3+	Но3+
+
+
+
+
+
+
+
+	+
+

++

++

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Ег}+ Тш3+ УЬ3+

++

+

+ + +

+

+

+

++

++

+

++

+

+

+

+	+	+	+	,
+	+	+	+	+