Geum.ru

Сандуленко Александр Витальевич Механизмы образования фототропных активаторных центров хрома и ванадия в кристаллах гранатов Специальность: 01. 04. 05 Оптика автореферат

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Q- switch
Подобный материал:
1   2

Результаты исследований приведены в таблице 5. Коэффициент преобразования непрерывного излучения в моноимпульс оказался больше для оптической схемы с активным элементом со сферическим торцом. Для плоскопараллельного резонатора отношение мощностей моноимпульсной и непрерывной генерации составило 0.3. Для активного элемента со сферическим торцом оно равнялось 0.45.

Выходной сигнал представлял собой непрерывный ряд гладких импульсов с длительностями единиц десятков наносекунд.

Таблица 5.
Непрерывная генерация
Моноимпульс

T=98%
Моноимпульс

T=94%
Моноимпульс

T=90%

Плоский

АЭ
Сферич

АЭ
Плоский

АЭ
Сферич

АЭ

Средняя выходная мощность, мВт

450

550

210

150

175

148

Порог, Вт
0.2
0.2
0.4
0.9
0.6
0.9

Длительность импульса, нс
-
-
60
14
12.5
6.7

Частота повторения, КГц
-
-
50
20
25
20

Пиковая мощность, Вт






70
500
550
1100



Кроме того, была испытана оптическая схема, где пассивный затвор служил выходным зеркалом. Схема такого лазера приведена на рис. 13. Для моноимпульсного режима на длине волны 1.32 мкм был достигнут дифференциальный КПД 19% при средней выходной мощности до 145 мВт. Длительность импульса составила 6.7 нс при частоте повторения 20Кгц.





Рис.13. Оптическая схема и конфигурация внутрирезонаторной моды для лазера с активным элементом АИГ:Nd со сферическим торцом и пассивным затвором с нанесенным на нем выходным зеркалом.


Были проведены генерационные исследования режима пассивной модуляции добротности на длине волны 1.06 мкм. Основанием для этого послужили сравнительные данные по спектроскопическим характеристикам пассивных затворов на основе гранатов с хромом и ванадием. Они приведены в таблице 6. Как видно из таблицы 6, не смотря на меньшее значение сечения поглощения из основного состояния (3.0*10-18 см2) на длине волны 1.06 мкм по сравнению со значением для кристалла АИГ:Cr4+(5.7*10-18 см2), у АИГ:V наибольшее значение отношения сечения поглощения из основного состояния к сечению поглощения из возбужденного состояния (sGSA/sESA = 20).

Таблица 6

Q- switch
sGSAl=1.06mm

*1018 cm2
sESAl=1.06mm

*1019 cm2
sGSAl=1.35mm *1018 cm2
sESAl=1.35mm

*1018 cm2

YAG:Cr4+
5.7
8.0
-
-

GSGG:Cr4+
3.2
4
-
-

YAG:V3+
3.0±1.2
1.4±0.6
7.4±2.8
3.0±2

sGSA – сечение поглощения из основного состояния

sESA - сечение поглощения из возбужденного состояния

От этого зависит контраст затвора и эффективность преобразования в моноимпульс. В таблице 7 приведены экспериментально полученные параметры для режима модуляции добротности с помощью затворов на основе кристаллов АИГ:V на длине волны 1.06 мкм в АИГ:Nd в миниатюрном лазере с торцевой накачкой излучением лазерного диода с мощностью 2 Вт. Для сравнения в этой же системе были получены параметры модуляции добротности с помощью пассивного затвора на основе АИГ:Cr4+.

Таблица 7.
YAG:V3+, T0=68%
YAG:V3+, T0=77%
YAG:V3+, T0=84%
YAG:Cr4+, T0=77%

E, mJ
35
23
12
30

t, ns
2
2.5
4.5
1.9

F, KHz
8
15
18
10

P, mW
280
360
220
300






а)



б)




в)

Рис. 14. Осциллограммы моноимпульсов 1.064 мкм : а) – АИГ:V, T0=68%, б) – АИГ:V, T0=77%, в) – АИГ:Cr4+, T0=77%. Временной масштаб развертки осциллографа 5 нс/деление.

Максимальный коэффициент преобразования в моноимпульс (0.45) и максимальная средняя мощность (360 мВт) наблюдались для затвора на основе АИГ:V с начальным пропусканием 77%. При сравнимых условиях в лазере с затвором на основе АИГ:Cr4+ с таким же начальным пропусканием эффективность преобразования составила 0.33, что существенно меньше (в ~1.36 раза), чем в лазере с затвором на основе АИГ:V.

Таким образом, показано, что затвор на основе АИГ:V, может обеспечивать модуляцию добротности как в спектральной области 1.3 мкм, так и в области 1 мкм.

Выводы.
  1. Проведены экспериментальные исследования условий образования спектров ДП в гранатах, соактивированных хромом и щелочно-земельными элементами. Установлено, что спектры ДП связаны с ионами Cr4+ в октаэдрических и тетраэдрических позициях решетки граната.
  2. Показано, что спектры дополнительного поглощения в смешанных гранатах принадлежат тетраэдрически координированным ионам хрома, в то время как в АИГ спектры ДП обусловлены как тетраэдрически, так и октаэдрически координированными ионами Cr4+ , что связано с ограниченностью вхождения Cr4+ в тетраэдрические узлы в АИГ из-за наименьшей в ряду исследованных гранатов постоянной решетки. Поэтому показатели поглощения для смешанных гранатов (напр. ГСГГ) могут достигать значений более 10 см-1 в то время как для АИГ реально достигаемый показатель поглощения составляет не более 2.5 см-1.
  3. На основе экспериментально определенных значений силы кристаллического поля Dq и путем соответствующего подбора параметров Рака в рамках ТКП рассчитаны электронные уровни октаэдрических и тетраэдрических ионов Cr4+ в кристаллах АИГ и ГСГГ. Полученные результаты хорошо согласуются с наблюдаемыми спектрами.
  4. Выбрана модель МО ЛКАО для расчета октаэдрических и тетраэдрических комплексов ионов Cr4+. Составлены программы для самосогласованных расчетов этих комплексов по методу МО ЛКАО МВГ. Рассчитаны энергии основных и возбужденных состояний кластеров [CrO6]8- и [CrO4]4- .Предложена новая модель основных состояний кластеров, согласно которой Cr4+ представляет собой Cr3++e+ (дырку в кислородном окружении).
  5. Получены кристаллы АИГ:V выращенные методом ВНК. Показано, что спектр поглощения кристаллов определяется октаэдрическими и тетраэдрическими ионами V3+.
  1. По результатам самосогласованных расчетов получено распределение зарядов и оценка ковалентности в связи Cr4+ - O2-. Вычисленные на этой основе параметры ТКП по сравнению с ионной моделью находятся в значительно лучшем согласии с экспериментально определенными параметрами.
  2. Спектр кристаллов интерпретирован в рамках теории кристаллического поля. Эмпирически определены параметры кристаллического поля. Раcчитанные положения уровней находятся в хорошем соответствии с наблюдаемыми полосами поглощения.
  3. Восстановительный отжиг кристаллов АИГ:V выращенных методом ВНК приводит к появлению спектра ДП. Спектр ДП принадлежит ионам V3+ в тетраэдрической координации.
  4. Исследованы фототропные свойства кристаллов АИГ:V с использованием йодного лазера. Измерена кривая просветления образцов АИГ:V на длине волны 1.315 мкм. Установлено, что экспериментальная кривая просветления отличается от расчетной кривой. Насыщение экспериментальной кривой наступает при больших плотностях излучения. Причиной тому является перепоглощение из возбужденного состояния 3T2. Этот фактор ограничивает контраст затвора.
  5. Была получена пассивная модуляция добротности с использованием АИГ:V пассивного затвора. При этом отношение энергии моноимпульса к энергии свободной генерации составило 0.25.
  6. Четырехвалентный хром в тетраэдрической координации может служить источником селективных распределенных потерь на длине волны 1.06 мкм и использоваться для подавления суперлюминесценции и создания благоприятных условий генерации на не основных линиях генерации неодима (1.35, 1.44 мкм). Было показано, что с увеличением концентрации четырехвалентного хрома в спектре люминесценции неодима соотношение интенсивностей линий 1.06 и линий 1.35, 1.44 мкм меняется в меньшую сторону. Благодаря наличию поглощающих центров Cr4+ в тетраэдрической координации была получена генерация как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности на активных элементах ГСГГ:Cr:Nd с непросветленными торцами.

11. Экспериментально показано, что пассивный затвор на основе кристалла АИГ:V эффективно работает как в спектральной области 1.3 мкм, так и в области 1.06 мкм. Причем на длине волны 1.06 мкм затвор на основе АИГ :V в сравнении затвором на основе АИГ:Cr4+ демонстрирует большую эффективность благодаря большему значению отношения поглощения из основного состояния и поглощения из возбужденного состояния.


Список опубликованных по теме диссертации работ.

  1. Л.И.Крутова, Н.А.Кулагин, В.А.Сандуленко, А.В.Сандуленко. Электронное состояние и позиции ионов хрома в кристаллах граната. Физика твердого тела, 1989, т.31, №7, c. 170-175.
  2. Л.И. Крутова, Н.А.Кулагин, В.А.Сандуленко, А.В. Сандуленко “Спектры поглощения и люминесценции октаэдрических и тетраэдрических ионов V3+ в РЗ гранатах. IX Всесоюзный симпозиум по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, тезисы доклада, Ленинград 1990г, с.81.
  3. Н.Н.Ильичев, А.В.Кирьянов, П.П.Пашинин, В.А.Сандуленко, А.В.Сандуленко, С.М.Шпуга Анизотропия нелинейного поглощения в кристалле ИАГ:V3+. Квантовая электроника 1995, т.22, №12, c.1192-1194.
  4. А.С.Гренишин, В.М.Киселев, Л.И.Крутова, А.В.Лукин, А.В.Сандуленко, В.А.Сандуленко. Кристаллический пассивный затвор для йодного лазера. Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, №.4
  5. В.Н.Иванов, И.В.Мочалов, А.В.Сандуленко. Влияние селективных распределенных потерь в кристаллах гадолиний–скандий галлиевого граната (ГСГГ:Cr:Nd) на генерацию 1.3 мкм. 5 Международная конференция “Прикладная оптика”, Труды оптического общества им. Д.С.Рождественского, С-Пб, 2002, т.3, с.49-52.
  6. V.N.Ivanov, A.V.Sandulenko, V.A.Sandulenko, I.V.Mochalov, V.I.Ustugov, G.E.Novikov, Uk Kung, Kyeong-Hee Lee. 1.32 m YAG:Nd Q-switch laser with YAG:V3+ passive shutter. Proceedings of SPIE, Laser Optics 2003, Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion, 2003, v. 5478, p.26-30.
  7. В.Н.Иванов, Л.И.Крутова, И.А.Миронов, И.В.Мочалов, А.В.Сандуленко, А.Н.Титов. Лазер с длиной волны 1.54 мкм на кристаллах КГВ:Nd с ВКР-самопреобразованием и пассивной модуляцией добротности. 6 Международная конференция «Прикладная Оптика». Труды оптического общества им. Д.С.Рождественского, С-Пб, 2004, Т1(2), с.388-393.
  8. S.A.Zolotovskaya, K.V.Yumashev, N.V.Kuleshov, A.V.Sandulenko, “Diode-pumped Yb, Er:glass laser passively Q-switched with V3+:YAG crystal,” Applied Optics, 2005, v.44, p.1704-1708.
  9. Vasili G.Savitski, Igor A.Denisov, Alexander M.Malyarevich, Konstantin V. Yumashev, Alexander V.Sandulenko Passive Q-Switching of Diode Pumped Nd:KGd(WO4)2 Lasers by V3+:Y3Al5O12 Crystal with Anisotropy of Nonlinear Absorption , Applied Optics, N23, Vol.46, August 2007.