авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Высокоэффективные лазеры двухмикронного диапазона на основе кристаллов tm:ylf и ho:yag с диодно-лазерной накачкой

На правах рукописи

Захаров Никита Геннадьевич

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ЛАЗЕРЫ ДВУХМИКРОННОГО

ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ Tm:YLF И HO:YAG

С ДИОДНО-ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ

01.04.21 – лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород – 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук доцент А.П. Савикин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Ю.М. Сорокин кандидат физико-математических наук М.А. Новиков

Ведущая организация: Институт лазерно-физических исследований (ИЛФИ) РФЯЦ-ВНИИЭФ

Защита состоится « 09 » июня 2010 г. в на 15- заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу:

Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп., ауд.

1 420.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан « 07 » мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы Одним из актуальных направлений лазерной физики в настоящее время является исследование лазерных систем, работающих в двухмикронном диа пазоне длин волн (1,9-2,1 мкм). Большой интерес к данному диапазону обу словлен целым рядом обстоятельств. Прежде всего, двухмикронное излучение хорошо согласовано с одним из пиков поглощения воды и нахо дится в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Благодаря этому, лазеры, генерирующие в области 2 мкм, используются в различных областях меди цины (урологии, гинекологии, ортопедии, отоларингологии, офтальмологии, стоматологии, общей хирургии) и лидарном зондировании атмосферы [1-3].

Кроме того, излучение с длиной волны более 2 мкм может быть эффективно преобразовано в средний ИК диапазон (3-8 мкм) с помощью нелинейно оптических кристаллов ZnGeP2, обладающих высокой квадратичной нели нейной восприимчивостью и теплопроводностью [4].

Несмотря на многочисленные приложения, двухмикронный диапазон длин волн является ещё недостаточно хорошо освоенным в лазерной физике.

Лазерная генерация в этом диапазоне может быть реализована на кристаллах и стёклах, активированных ионами Tm3+ и Ho3+. Однако твердотельные лазе ры на основе тулиевых и гольмиевых материалов до последнего времени ос тавались изученными гораздо хуже, чем неодимовые или иттербиевые лазеры. В основном это связано со свойствами ионов Tm3+ и Ho3+, обладаю щих невысокими значениями сечения излучения и квазитрёхуровневой структурой уровней неудобной для накачки с помощью газоразрядных ламп.

Одними из наиболее распространенных лазерных систем двухмикрон ного диапазона являются системы на кристаллах Ho:YAG. Высокие оптиче ские и термомеханические свойства матрицы YAG позволяют получать непрерывную и импульсно-периодическую генерацию большой мощности на длине волны 2,1 мкм. Лазеры на основе гольмий содержащих кристаллов с ламповой накачкой, генерирующие в диапазоне 2,1 мкм, исследовались в предыдущие годы [5]. При этом наилучшие результаты достигались при ис пользовании лазерных кристаллов на основе матрицы YAG, которые наряду с ионами Ho3+ легировались ионами Tm3+ и Cr3+. Низкая эффективность пре образования излучения накачки в излучение генерации на длине волны 2, мкм (менее 0,3 %) и, вследствие этого, большие габариты и высокое энерго потребление Cr,Tm,Ho:YAG лазеров с ламповой накачкой, затрудняют их применение. С появлением доступных коммерческих диодных лазеров на смену системам с ламповой накачкой пришли лазеры с диодно-лазерной на качкой, что позволило увеличить мощность и эффективность генерации, улучшить качество пучка выходного излучения, а также уменьшить габариты лазерных систем и эксплуатационные расходы. Однако, кристалл Ho:YAG не имеет интенсивных линий поглощения в диапазоне 780-980 нм, что не позво ляет использовать для его накачки доступные и мощные коммерческие GaAlAS и InGaAs лазерные диоды. Оптимальная накачка кристаллов Ho:YAG может быть осуществлена с помощью лазерного излучения на длине волны ~1908 нм. Работы зарубежных групп показывают возможность полу чения генерации Ho:YAG лазера со средней мощностью несколько десятков Вт при эффективности преобразования излучения накачки до 65% [6,7].

Для получения генерации в области 1,9 мкм используются лазеры на основе активных сред, легированных ионами Tm3+. Достоинства этих лазеров определяются свойствами ионов Tm3+, имеющих сильную и широкую полосу поглощения вблизи 0.8 мкм, идеальную для накачки мощными лазерными диодами, а также обладающих кросс-релаксационными переходами, обеспе чивающими появление двух ионов на верхнем лазерном уровне на каждый поглощённый квант накачки. Одним из наиболее перспективных тулий со держащих кристаллов является Tm:YLF благодаря естественному двулуче преломлению, обеспечивающему линейную поляризацию генерации, и отрицательному коэффициенту температурного изменения показателя пре ломления, способствующему уменьшению суммарной тепловой линзы ак тивного элемента, компенсируемой положительной линзой на торцах и электронным эффектом. Максимум усиления -поляризованного излучения Tm:YLF лазера на длине волны 1908 нм хорошо согласован с линией погло щения кристалла Ho:YAG и наилучшим образом подходит для накачки по следнего. -поляризованное излучение Tm:YLF лазера на длине волны 1888 нм может быть использовано для эффективной накачки кристаллов Cr2+:ZnSe, позволяющих получать перестраиваемую генерацию в области 2- мкм. Исследования лазеров на кристаллах Tm:YLF показывают возможность генерации мощного излучения (~ 20 Вт) в пучках хорошего качества при эф фективности использования торцевой или боковой диодной накачки 25% 40% [6,8].



Не смотря на наличие публикаций, посвященных лазерам на основе кристаллов Tm:YLF и Ho:YAG, возможности повышения эффективности ге нерации и управления спектром выходного излучения недостаточно изучены.

Оптимизация параметров лазеров Tm:YLF и Ho:YAG может быть выполнена на основе лучшего понимания физических процессов, происходящих в ла зерных кристаллах, изучении оптических характеристик активных сред и схем оптической накачки, расчёте лазерных резонаторов с учётом наводимых накачкой линз, что требует проведения специальных физических исследова ний.

Целью диссертационной работы являлось исследование генерацион ных свойств и характерных особенностей кристаллов Tm:YLF и Ho:YAG и создание на их основе высокоэффективных лазеров с продольной диодно лазерной накачкой, а также возможности управления спектром генерации этих лазеров с помощью внутрирезонаторного интерференционно поляриза ционного фильтра.

Задачи исследования.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

Определение спектрально-оптических и кинетических характеристик кристаллов Tm:YLF и Ho:YAG.

Исследование методов фокусировки излучения накачки в активные элементы, а также проведение расчётов параметров резонаторов (с учё том наводимой накачкой тепловых линз), позволяющих согласовать основную моду резонатора с областью усиления в кристаллах.

Проведение численного моделирования для выявления оптимальных параметров лазеров на основе кристаллов Tm:YLF и Ho:YAG.

Реализация лазерной генерации на кристаллах Tm:YLF и Ho:YAG и проведение экспериментальной оптимизации с целью получения мак симальной мощности и эффективности генерации при высоком качест ве пучка. Сравнение численных и экспериментальных результатов.

Исследование возможности управления спектром Tm:YLF и Ho:YAG лазеров с помощью интерференционно-поляризационного фильтра и изучение влияния частотной селекции на параметры выходного излу чения.

Научная новизна 1. Для кристаллов Tm:YLF с концентрацией ионов активатора 3% и 3,5% ат.

найдены вероятности кросс-релаксационных процессов, являющихся оп ределяющими в формировании инверсии населённости.

2. В лазере на кристалле Tm:YLF цилиндрической формы с продольной ак сиально-симметричной диодной накачкой реализована генерация - и поляризованного излучения с рекордной выходной мощностью и эффек тивностью генерации. Исследовано влияние температуры активного эле мента на эффективность генерации.

3. На основе комплексных измерений спектрально-оптических свойств кри сталлов Tm:YLF и Ho:YAG определены факторы, влияющие на длину волны генерации и диапазон её возможной перестройки.





4. Осуществлено управление спектром выходного излучения лазеров на кристаллах Tm:YLF и Ho:YAG с продольной диодно-лазерной с помо щью внутрирезонаторного интерференционно-поляризационного фильт ра.

5. Выявлено влияние частотной селекции с помощью интерференционно поляризационного фильтра, на амплитудную и временную стабильность импульсов в режиме модуляции добротности Ho:YAG лазера.

Практическая значимость работы Исследованные мощные, высокоэффективные, компактные и пере страиваемые по частоте Tm:YLF и Ho:YAG лазеры с диодно-лазерной накач кой, генерирующие в области длин 1,9-2,1 мкм, могут быть использованы в различных областях медицины, лидарном зондировании атмосферы, техно логических и научных приложениях, а также в качестве систем накачки па раметрических генераторов света среднего ИК.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту 1. В лазере на кристалле Tm:YLF цилиндрической формы с продольной ак сиально-симметричной диодной накачкой достигнута генерация - и поляризованного излучения с рекордной средней мощностью более 31 Вт при полной оптической эффективности преобразования излучения накач ки ~45% и высоком качестве пучка (М2~2,5).

2. Использование внутрирезонаторного интерференционно поляризацион ного фильтра позволяет перестраивать спектр генерируемого излучения Tm:YLF лазера в диапазоне 1865-1940 нм.

3. Частотная селекция с помощью интерференционно-поляризационного фильтра позволяет реализовать как непрерывный, так и импульсно периодический режимы генерации Ho:YAG лазера на одной из трёх спек тральных линий ~2090 нм, 2097 нм или 2123 нм с эффективностью более 45 %.

4. Использование внутрирезонаторного интерференционно поляризационного фильтра позволяет значительно повысить амплитуд ную и временную стабильность импульсов в режиме модуляции доброт ности Ho:YAG лазера.

Методы исследования и достоверность результатов При проведении численного моделирования использовались стандарт ные методы решения дифференциальных уравнений. Экспериментальные ис следования проводились с использованием стандартных методик оптических измерений и статистической обработки полученных данных. Достоверность представляемых результатов подтверждается согласованностью теоретиче ских, численных и экспериментальных результатов, а также согласованно стью с независимо полученными результатами других исследователей.

Апробация результатов и публикации Результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских (Квантовая электроника, Оптика и спектроскопия, Оптический журнал) и международном (Laser and Particle Beams) научных журналах, учебно-методическом пособии ННГУ им. Лобачевского, препринте ИПФ РАН и 11 сборниках докладов и тезисов международных и всероссийских конференций.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных се минарах кафедры квантовой радиофизики ННГУ и Института прикладной физики РАН, всероссийских и международных конференциях, в том числе:

International Conference High-power laser beams (HPLB-2006), N. Novgorod, Russia (2006);

International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), International Conference on Lasers, Applications, and Technolo gies (LAT) Minsk, Belarus (2007);

3th and 4th International Conference «Laser Optics for Young Scientists», St. Petersburg, Russia (2006 and 2008);

Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2008), San Jose, USA (2008);

«Laser Optics 2008», St. Petersburg, Russia (2008);

17h International conference «Laser physics workshops» (LPHYS’08), Trondheim, Norway (2008);

3rd EPS-QEOD Euro photon Conference, Paris, France (2008);

Международная научная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», С.-Петербург (2007 и 2009);

Семнадца тая международная научная конференция «Лазерно-информационные техно логии в медицине, биологии и геологии», Новороссийск (2009);

Всероссийская конференция «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники:

физические свойства и применение», Саранск (2009);

13-я и 14-я научные школы «Нелинейные волны», Нижний Новгород (2006 и 2008);

11-я и 13-я конференция по радиофизике, Нижний Новгород (2007 и 2009);

12-я Ниже городская сессия молодых учёных (естественные дисциплины), Нижний Нов город (2007).

Исследования, результаты которых приведены в диссертации, выпол нены при поддержке грантов РФФИ 06-02-81046-Бел_а, 07-02-92184 НЦНИ_ф и 08-02-99050-офи, АВЦП 2.1.1/3603 и др.

Личный вклад автора Основные результаты работы получены автором лично. Диссертант принимал непосредственное участие как в постановке задач, так и в расчетах, экспериментальных работах, обсуждении и физической интерпретации ре зультатов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 61 рисунок, 6 таблиц и список литературы из 85 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели, кратко излагается содержание диссертации, приводятся основные по ложения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена исследованию спектрально-оптических и ки нетических характеристик кристалла Tm:YLF и проведению численного мо делирования Tm:YLF лазера с диодной накачкой.

В параграфе 1.1 рассматриваются свойства матрицы YLF. Описывают ся результаты экспериментальных исследований эффективных сечений по глощения и излучения в зависимости от длины волны. Определяются области с максимальным усилением и диапазон возможной перестройки генерации для - и -поляризации в зависимости от инверсии населённости.

В параграфе 1.2 анализируются механизмы создания инверсии насе лённости в кристалле Tm:YLF. Из экспериментально измеренных зависимо стей кинетики люминесценции с уровня 3H4 для активных элементов с концентрацией ионов активатора 3% и 3,5% ат. находятся вероятности кросс релаксационных процессов, являющихся определяющими в формировании инверсии населённости. Рассчитывается соответствующая квантовая эффек тивность накачки кв. Получено, что для кристалла Tm:YLF с легированием 3% ат. кв ~1,78, а для 3,5% ат. кв ~1,82.

В параграфе 1.3 приводятся результаты исследования параметров излу чения диодных линеек с волоконным выходом, используемых для накачки кристаллов Tm:YLF. Находится теоретическое значение поглощаемой мощ ности накачки в активном элементе. Исследуются возможности формирова ния излучения диодных линеек с помощью различных линзовых систем.

Описываются двухлинзовые системы, позволяющие оптимальным образом фокусировать пучок накачки в активный элемент. Приводятся эксперимен тальные зависимости доли поглощенной в кристалле мощности накачки от мощности излучения диодных линеек в схемах с настроенным и разъюстиро ванным резонатором.

В параграфе 1.4 приводятся результаты исследования тепловой линзы, наводимой в активном элементе под действием интенсивной накачки. На ос нове полученных данных проводится расчёт параметров резонатора, позво ляющий согласовать область усиления в кристалле с основной модой резонатора.

В параграфе 1.5 приводятся результаты численного моделирования Tm:YLF лазера с помощью решения совместной системы уравнений, описы вающих кинетику населенностей ионов Tm3+ и плотности потока фотонов в резонаторе. Определяются временные зависимости населённостей уровней H6, 3F4 и 3H4 в схеме с настроенным и разъюстированным резонатором. На ходятся параметры лазерной системы, позволяющие получать максимальную эффективность генерации для - и -поляризованного излучения. Приводятся зависимости выходной мощности от мощности накачки для генерации на - и -поляризации, полученные в результате численного моделирования. Пока зывается, что при параметрах Tm:YLF лазера, реализуемых в эксперименте, эффективность генерации достигает 48%.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследо ваний лазера на основе кристалла Tm:YLF цилиндрической формы с про дольной аксиально-симметричной диодной накачкой.

В параграфе 2.1 описывается схема экспериментальной установки. Рас сматриваются различные архитектуры резонатора, отличающиеся методами ввода излучения накачки внутрь резонатора.

В параграфе 2.2 приводятся результаты экспериментальных исследова ний Tm:YLF лазера, генерирующего -поляризованное излучение. Показано, что оптимизация параметров лазера, таких как длина кристалла и процент ле гирования ионами Tm3+, коэффициент отражения и радиус кривизны выход ного зеркала, фокусировка излучения накачки в активный элемент позволяет получить эффективность генерации -поляризованного излучения ~45% при выходной мощности более 31 Вт (рис. 2). Описывается влияние температуры активного элемента на выходную мощность. Сравниваются эффективности генерации для различных схем резонатора.

Установлено, что центр спектра генерации -поляризованного излуче ния Tm:YLF лазера находится на длине волны 1909 нм и хорошо согласуется с одним из максимумов поглощения в кристалле Ho:YAG (рис. 1). Провал в спектре выходного излучения Tm:YLF лазера на длине волны ~1909 нм обу словлен интенсивной линией поглощения паров воды.

Рис.1. Спектры генерации -поляризованного излучения Tm:YLF лазера (кривая 1), и пропускания кристалла Ho:YAG (кривая 2).

В параграфе 2.3 демонстрируются результаты экспериментальных ис следований Tm:YLF лазера, генерирующего -поляризованное излучение.

Показано, что эффективность генерации достигает 46% при выходной мощ ности ~ 32 Вт. Установлено, что в зависимости от добротности резонатора генерация реализуется на длине волны 1878 нм или 1888 нм.

В параграфе 2.4 проводится сравнение численных и эксперименталь ных зависимостей выходной мощности от мощности накачки для Tm:YLF лазера, генерирующего на и -поляризации (рис. 2). Получено хорошее со гласование численных и экспериментальных результатов.

- - Выходная мощность, Вт - 25 - 0 10 20 30 40 50 60 Мощность накачки на =792 нм, Вт Рис. 2. Зависимость выходной мощности Tm:YLF лазера от мощности накачки для - (кривая 1 – численное моделирование, кривая 3 - экспе римент) и -поляризованного (кривая 2 – численное моделирование, кривая 4 - эксперимент) излучения.

В параграфе 2.5 описываются исследования пространственного распре деления пучка генерации Tm:YLF лазера, проведённые с помощью ИК каме ры (Pyrocam III). Согласно стандартной методике Международной организации по стандартизации определялся параметр качества М2. Показа но, что при мощности генерации ~30 Вт в схеме с выходным зеркалом r= мм и R=80% для - и -поляризованного излучения параметр М2 ~2,5.

В параграфе 2.6 приводятся результаты по реализации перестраивае мой генерации с помощью интерференционно-поляризационного фильтра (ИПФ), помещённого внутрь резонатора Tm:YLF лазера (рис. 3). Перестрой ка спектра генерации для -поляризации осуществлялась в пределах полосы от 1885 нм до 1940 нм. Для -поляризованного излучения перестройка вы ходного излучения реализовывалась в области 1865-1900 нм. Общий диапа зон перестройки для обеих поляризаций составил величину ~75 нм и находился в пределах от 1865 нм до 1940 нм.

- 9 - Выходная мощность, Вт 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 Длина волны, нм Рис. 3. Перестроечная кривая для генерации - и -поляризованного из лучения, (кривые 1 и 2, соответственно) при мощности накачки ~30 Вт.

Третья глава посвящена исследованию спектрально-оптических ха рактеристик кристалла Ho:YAG и проведению численного моделирования Ho:YAG лазера с продольной накачкой излучением Tm:YLF лазера.

В параграфе 3.1 описываются свойства матрицы YAG. Приводятся ре зультаты экспериментальных измерений эффективных сечений поглощения и излучения в зависимости от длины волны. Определяются области с макси мальным усилением в зависимости от инверсии населённости.

В параграфе 3.2 анализируется кинетика энергетических состояний ио нов Ho3+. Рассматриваются процессы, приводящие к потерям инверсии в кри сталле Ho:YAG.

В параграфе 3.3 демонстрируются результаты исследований фокуси ровки излучения накачки с помощью различных линзовых систем. Описыва ются двухлинзовые системы, позволяющие формировать в свободном пространстве области пучка генерации Tm:YLF лазера диаметром в перетяж ке от 530 до 800 мкм. Приводится экспериментальная зависимость доли по глощенной в кристалле мощности накачки в схемах с настроенным и разъюстированным резонатором.

В параграфе 3.4 описываются результаты расчёта параметров резона тора (с учётом тепловой линзы, наводимой накачкой в активном элементе), позволяющего согласовать область усиления в кристалле с основной модой резонатора.

В параграфе 3.5 приводятся результаты численного моделирования Ho:YAG лазера с помощью решения совместной системы уравнений, описы вающих кинетику населенностей ионов Ho3+ и плотности потока фотонов в резонаторе. Находятся параметры лазерной системы позволяющие получать максимальную эффективность генерации. Приводятся зависимости выходной мощности от мощности накачки для схем с одним и двумя проходами излу чения накачки через активный элемент, полученные в результате численного моделирования. Установлено, что при параметрах Ho:YAG лазера, реализуе мых в эксперименте, эффективность генерации достигает 63%. В зависимо сти от значений коэффициента отражения выходного зеркала и длины активного элемента, генерация происходит на длинах волн ~2090 нм, ~ нм или ~2123 нм.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных иссле дований Ho:YAG лазера с продольной накачкой излучением Tm:YLF лазера.

В параграфе 4.1 описывается схема экспериментальной установки. Рас сматриваются различные архитектуры резонатора с одним и двумя прохода ми излучения накачки через активный элемент.

В параграфе 4.2 приводятся результаты экспериментальных исследова ний Ho:YAG лазера, генерирующего в непрерывном режиме. Показано, что оптимизация параметров лазера, таких как длина кристалла, коэффициент отражения и радиус кривизны выходного зеркала, фокусировка излучения накачки в активный элемент позволяет получить эффективность генерации ~56% при выходной мощности более 15 Вт (рис. 4). Описывается влияние температуры активного элемента на выходную мощность. Сравниваются эф фективности генерации для различных схем резонатора. Проводится сопос тавление экспериментальных результатов с результатами численных расчётов. Установлено хорошее согласование экспериментальных и модель ных зависимостей.

Выходная мощность на 2,1 мкм - - 0, Интенсивность, о.е.

10 0, 0, 4 0, -50 0 50 100 0 Время, нс 0 5 10 15 20 25 Мощность накачки на 1909 нм, Вт Рис.5. Осциллограмма импульса генера Рис.4. Зависимость выходной мощности от мощно ции Ho:YAG лазера в режиме модуля сти накачки, полученные экспериментально (зави ции добротности при выходной симость 1) и с помощью численного мощности 11 Вт и частоте повторения моделирования (кривая 2).

3 кГц.

В параграфе 4.3 описываются результаты экспериментальных исследо ваний Ho:YAG лазера, работающего в режиме модуляции добротности, реа лизованном с помощью акустооптического затвора. Показана возможность генерации высокостабильной периодической последовательности импульсов с частотой повторения 2,5-20 кГц, длительностью импульсов 25-170 нс и средней по времени мощностью до 14,7 Вт (рис. 5). Приводятся зависимости длительности гигантских импульсов от мощности накачки и частоты моду ляции.

Рис.6. Спектр генерации Ho:YAG лазера. Непрерывный режим (кривая 1);

режим модуляции добротности (кривая 2) В параграфе 4.4 описываются результаты исследований спектрального состава выходного излучения Ho:YAG лазера, работающего как в непрерыв ном режиме, так и в режиме модуляции добротности. Установлено, что при используемых в эксперименте параметрах лазера, в зависимости от доброт ности резонатора и длины активного элемента генерация реализуется сразу на двух спектральных линиях с центрами на ~2090 нм и ~2097 нм или ~2097 нм и ~2123 нм (рис. 6). Рассматривается возможность управления спектром выходного излучения с помощью ИПФ. Показано, что использова ние ИПФ позволяет реализовать лазерную генерацию, как в непрерывном, так и импульсно-периодическом режиме на одной из трёх спектральных ли ний с длинами волн: ~2090 нм, 2097 нм или 2123 нм и эффективностью более 45%. Обсуждается влияние ИПФ на амплитудную и временную стабильность импульсов генерации Ho:YAG лазера в режиме модуляции добротности.

В параграфе 4.5 описываются результаты исследования качества пучка генерации Ho:YAG лазера. Показано, что при мощности генерации ~14 Вт в непрерывном и импульсно-периодическом режимах параметр М21,3.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссер тации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Проведено численное моделирование Tm:YLF лазера с продольной диод ной накачкой. Для проведения расчётов были измерены оптические ха рактеристики кристалла Tm:YLF и найдены вероятности кросс релаксационных процессов, являющихся определяющими в формирова нии инверсии населённости. Рассчитаны параметры резонатора с учётом тепловой линзы, наводимой в активном элементе, позволяющие согласо вать область усиления в кристалле с основной модой резонатора.

2. В лазере на кристалле Tm:YLF цилиндрической формы с аксиально симметричной продольной диодной накачкой реализована генерация - и -поляризованного излучения с рекордной средней мощностью более Вт при эффективности преобразования излучения накачки ~45 % и каче стве пучка M2~2,5 на длине волны 1888 нм и 1909 нм, соответственно. С помощью внутрирезонаторного ИПФ реализована перестраиваемая гене рация в области 1865-1940 нм.

3. На основе численного моделирования проведена оптимизация параметров Ho:YAG лазера с накачкой излучением Tm:YLF лазера. Показано, что при изменении добротности резонатора и длины активного элемента домини рует одна из трёх наиболее интенсивных спектральных линий 2090 нм, 2097 нм и 2123 нм.

4. В лазере на кристалле Ho:YAG с накачкой излучением Tm:YLF лазера на длине волны ~1909 нм реализована непрерывная генерация пучка высо кого качества (М21,3) со средней мощностью ~15,4 Вт при полной опти ческой эффективности преобразования накачки ~56%. В режиме активной модуляции добротности с использованием акустооптического затвора получена генерация высокостабильной периодической последо вательности импульсов с частотой повторения от 2,5-20 кГц, длительно стью 25-170 нс и средней по времени мощностью ~14,7 Вт.

5. С помощью внутрирезонаторного ИПФ проведена частотная селекция, позволяющая получать генерацию Ho:YAG лазера как в непрерывном, так и импульсно-периодическом режимах на одной из трёх спектральных линий ~2090 нм, 2097 нм или 2123 нм с эффективностью более 45% и шириной линии менее 0.5 нм. Показано, что использование ИПФ позво ляет значительно повысить амплитудную и временную стабильность им пульсов в режиме модуляции добротности.

Список цитируемой литературы [1] С.В. Грачев. Гольмиевый лазер в медицине // Москва, Издательство:

Триада-X, ISBN: 5-8249-0102-3(I), 240 c. (2003).

[2] T.M. Buzug, D.J. Bongartz, M.U. Hartmann and S. Weber. Design and Technical Concept of a Tm Laser Scalpel for Clinical Investigation Based on a 60W, 1.92 µm Tm Fiber Laser System // Advances in Medical Engineering, 114, pp. 447-452 (2007).

[3] S.W. Henderson, C.P. Hale, J.R. Magee, M.J. Kavaya, and A.V. Huffaker. Eye-safe coherent laser radar system at 2.1 using Tm,Ho:YAG la sers // Opt. Lett. 16(10), pp. 773-775 (1991).

[4] S. Das, G.C. Bhar, S. Gangopadhyay, and C. Ghosh. Linear and Nonlin ear Optical Properties of ZnGeP2 Crystal for Infrared Laser Device Applications:

Revisited. // Appl. Opt. 42, pp. 4335-4340 (2003).

[5] M.G. Jani, N.P. Barnes, and K.E. Murray. Flash-lamp-pumped Ho:Tm:Cr:YAG and Ho:Tm:Er:YLF lasers: experimental results of a single, long pulse length comparison. Appl. Opt. 36, pp. 3357-3362 (1997).

[6]. P.A. Budni, L.A. Pomeranz, M.L. Lemons, C.A. Miller, J.R. Mosto, and E.P. Chicklis. Efficient mid-infrared laser using 1.9-µm-pumped Ho:YAG and ZnGeP2 optical parametric oscillators // J. Opt. Soc. Am. B. 17(5), pp. 723 – (2000).

[7] E. Lippert, S. Nicolas, G. Arisholm, K. Stenersen, and G. Rustad. Midin frared laser source with high power and beam quality // Appl. Opt. 45, pp. 3839 3845 (2006).

[8] X.M. Duan, B.Q. Yao, Y.J. Zhang, C.W. Song, L.L. Zheng, Y.L. Ju, and Y.Z. Wang. Diode-pumped high efficient Tm:YLF laser output at 1908 nm with near-diffraction limited beam quality // Laser Phys. Lett. 5(5), pp. 347–349 (2008).

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, В.В. Шарков, О.Н. Еремейкин, Ю.Н. Фролов, Г.М. Мищенко, С.Д. Великанов. Эффективная генерация на длине волны 1908 нм в лазере на кристалле Tm:YLF с диодной накачкой // Квант. электроника, 39(5), 410–414 (2009).

2. О.Н. Еремейкин, Н.А. Егоров, Н.Г. Захаров, А.П. Савикин, В.В. Шарков.

Исследование тепловой линзы в кристалле Tm:YLF при интенсивной ди одной накачке // Оптический журнал, 76(11) стр. 5-9 (2009).

3. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, В.В. Шарков, А.П. Савикин. Эффективная генерация на длине волны 2,1 мкм в лазере на кристалле Ho:YAG с на качкой излучением Tm:YLE лазера // Квант. электроника, 40(2), с. 98– (2010).

4. Ф.А. Больщиков, Е.В. Жариков, Н.Г. Захаров, Д.А. Лис, П.А. Рябочкина, К.А. Субботин, О.Л. Антипов. Генерация двухмикронного лазерного из лучения в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2, активированных ионами Tm3+ // Квант. электроника, 40(2), с. 101–102 (2010).

5. И.А. Гришин, Н.Г. Захаров, Н.В. Козлова, А.П. Савикин. Исследование оптических характеристик стекла TZLB, легированного ионами Er3+ и Yb3+ // Оптика и спектроскопия, 107(5), с. 768-771 (2009).

6. O.L. Antipov, M.S. Kuznetsov, N.G. Zakharov. Laser oscillators with nonlin ear dynamic cavity formed by resonant refractive-index gratings // Laser and Particle Beams, Invited Reveiw Article: Trends in Stimulated Brilloing Scatter ing and Optical Phase Conjugation, Ed. By M. Ostermeyer, pp. 54-60 (2008).

7. А.А. Андронов, Н.Г. Захаров, А.В. Маругин, А.П. Савикин. Новые источ ники и приёмники ИК и терагерцового диапазона // Учебно-методическое пособие ННГУ им. Лобачевского, 95 с. (2007).

8. О.Л. Антипов, Н.Г. Захаров, М.С. Кузнецов, А.Д. Юнаковский. Численное моделирование условий генерации в лазерах с петлевым резонатором на динамических решётках // Препринт ИПФ РАН №761, Нижний Новгород, Изд-во Института прикладной физики РАН, 28 с. (2008).

9. N.G. Zakharov, O.L. Antipov, O.N. Eremeykin, A.P. Savikin. Optimization of a diode-pumped Tm:YLF laser at 1908 nm // High-power Laser Beams 2006, N. Novgorod, Russia. Technical Digest, p. 117 (2006).

10. О.Н. Еремейкин, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, Н.Г. Захаров, Ю.Н. Фро лов, Г.М. Мищенко. Высокоэффективный лазер на кристалле Но:YAG как задающий генератор для систем среднего ИК-диапазона // XIII научная школа «Нелинейные волны-2006», Н.Новгород. Тезисы докладов, с. (2006).

11. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, О.Н. Еремейкин. Эффектив ный и компактный Tm:YLF лазер с диодной накачкой, генерирующий на длине волны 1908 нм // 12-я Нижегородская сессия молодых учёных (ес тественные дисциплины), Н.Новгород. Тезисы докладов, с. 52 (2007).

12. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, О.Н. Еремейкин, Шарков В.В.

Высокоэффективный диодно-накачиваемый Tm:YLF-лазер на длине вол ны 1908 нм // Международная конференция «Лазеры. Измерения. Инфор мация», С.-Петербург. Тезисы докладов, с. 29 (2007).

13. О.Н. Еремейкин, Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, В.В. Шарков.

Ho:YAG-лазер на длине волны 2,1 мкм с лазерной накачкой на 1908 нм // Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», С. Петербург. Тезисы докладов, с. 31 (2007).

14. О.Л. Антипов, Н.Г. Захаров, О.Н. Еремейкин, А.П. Савикин. Эффектив ный и компактный Tm:YLF лазер с диодной накачкой, генерирующий на длине волны 1908 нм. // Одиннадцатая научная конференция по радиофи зике, посвященная 105–й годовщине со дня рождения М.Т. Греховой, г. Н. Новгород, Тезисы докладов, с. 35 (2007).

15. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, О.Н. Еремейкин, А.П. Савикин. Исследова ние динамики генерации Tm:YLF–лазера с диодной накачкой. // 14 науч ная школа «Нелинейные волны-2008», Нижний Новгород. Тезисы докладов, с. 60-61 (2008).

16. N.G. Zakharov, O.L. Antipov, O.N. Eremeykin, A.P. Savikin. Generation characteristics of a longitudinally diode-pumped Tm:YLF laser. // «4th Laser Optics for Young Scientists», St. Petersburg, Russia. Technical Digest, p. (2008).

17. С.В. Егоров, Н.Г. Захаров, А.П. Савикин. Оптимизация выходного зерка ла твердотельного TmYLF лазера с диодной накачкой // Тринадцатая на учная конференция по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А.Миллера, г. Н. Новгород. Тезисы докладов с. 29-31 (2009).

18. А.А. Андронов, О.Н. Еремейкин, С. Ю. Железнов, А.П. Савикин, К.Ю.

Павленко, В.В. Шарков, Н.Г. Захаров. Tm:YLF лазер с диодной накачкой для задач спектроскопии газов в среднем ИК диапазоне // 17-я междуна родная научная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геологии», г. Новороссийск. Тезисы докладов с. 11 12 (2009).

19. А.А. Андронов, О.Н. Еремейкин, С.Ю.Железнов, А.П. Савикин, Павленко К.Ю., В.В. Шарков, Н.Г. Захаров. Tm:YLF лазер с диодной накачкой для задач спектроскопии газов в среднем ИК диапазоне // 19-я международ ная конференция «Лазеры. Измерения. Информация. 2009». Сборник док ладов, том 4. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, с. 200 (2009).

20. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, В.В. Шарков, А.П. Савикин. Эффективные и компактные твердотельные лазеры двухмикронного диапазона // 8-я Все российская конференция «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники:

физические свойства и применение», Саранск. Тезисы докладов, с. 99- (2009).

21. Н.Г. Захаров, О.Л. Антипов, А.П. Савикин, В.В. Шарков, О.Н. Еремейкин, Ю.Н. Фролов, Г.М. Мищенко, С.Д. Великанов. Эффективная генерация на длине волны 1908 нм в лазере на кристалле Tm:YLF с диодной накач кой // «Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ», 16 (2010) в печати.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.