Главная » 2014»Август»7 » Скачать Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 бесплатно
01:38
Скачать Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 бесплатно
Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+
Диссертация
Автор: Пушкарь, Александр Александрович
Название: Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+
Справка: Пушкарь, Александр Александрович. Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+ : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.21 / Пушкарь Александр Александрович; [Место защиты: Ин-т общ. физики им. А.М. Прохорова РАН] - Москва, 2010 - Количество страниц: 123 с. ил. Москва, 2010 123 c. :
Объем: 123 стр.
Информация: Москва, 2010
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ЛАЗЕРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ИХ СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА
11 Прозрачные диэлектрические кристаллические матрицы для твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра
12 Проблемы разработки активных сред для твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра и способы их разрешения
121 Проблема выбора источников накачки для твердотельных лазеров видимого, УФ диапазонов спектра
122 Образование центров окраски и способы их по давления
13 Выбор перспективной матрицы для лазеров видимого и УФ диапазонов спектра
14 Многоуровнивые ап-конверсионные схемы возбуждения стимулированного излучения в активированных кристаллах
141 Поглощение с возбужденного состояния (ЕБА)
142 Ап-конверсионная передача энергии (ЕТЦ)
143 Фотонная лавина (РА)
15 Ап-конверсионные лазерные схемы возбуждения фторидов активированных РЗИ цериевой и иттриевой подгруппы
151 Ап-конверсионные лазерные схемы накачки кристаллов фторидов легированных РЗИ иттриевой подгруппы (Ег , Ег + УЬ3+, Тш3+, Тт3+ + УЬ3+, Но3+, Но3+ + УЬ3+)
152 Ап-конверсионные лазерные схемы в кристаллах фторидов л | 311' 11 з11' легированных РЗИ цериевой подгруппы (N<3 , Рг , Рг + УЬ , Рг3+, Рг3+ + Се3+)
Введение:
Актуальность работы. На фоне многообразия разработанных лазеров инфракрасного (ИК) диапазона спектра, выбор твердотельных лазеров, излучающих в видимой, ультрафиолетовой (УФ) и. вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) областях весьма ограничен.
В настоящий момент получение монохроматического, когерентного лазерного излучения в видимом и УФ диапазонах спектра практически осуществляется:
• при использовании газовых-лазеров, лазеров на красителях и парах металлов, которые представляют собой- громоздкие приборы с ограниченным сроком службы,.имеющие относительно большие размеры и?вес;
• при использовании: полупроводниковых- лазерных диодов . видимого диапазона,, обладающих рядом серьезных недостатков, ограничивающих их область применения, среди которых невысокие выходные оптические мощности генерации, необходимость их термостатирования;
• при использовании нелинейного преобразования в гармоники излучения твердотельных ИК лазеров,1 что- значительно; снижает: КПД и надежность такого прибора, и, главное, ограничивает выбор длин волн генерации;
Создание компактных твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра позволит; решить целый2, ряд задач в различных областях науки и техники, таких как:, медицина, химические технологии; экология, микроэлектроника, оптоэлектроника, нанотехнологии, оптические измерения, лазерная спектроскопия, ,системы хранения и передача данных, посколькуони обладают рядом потенциальных достоинств, к важнейшим из которых можно отнести: возможность - достижения высоких удельных- оптических мощностей и энергий, экологическую чистоту, компактность, технологичность. Поэтому, даже далеко не полный перечень возможных применений такого рода излучателей указывает на актуальность работ, связанных с поиском, получением и исследованием эффективных твердотельных лазерных сред.
В настоящее время, основными проблемами в разработке компактных полностью твердотельных лазеров видимого и УФ! диапазонов спектра, являются:
1) Ограниченный выбор твердотельных источников накачки для возбуждения лазерной генерации на f-f и f-d переходах редкоземельных ионов (РЗИ) в активных матрицах;
2) Процессы соляризации, возникающие при возбуждении активных сред фотонами высоких энергий и приводящие к образованию центров окраски (ЦО).
Использование- ап-конверсионпых механизмов накачки активных сред решает обе эти. проблемы - позволяет использовать удобные твердотельные источники накачки, такие, как компактные лазерные диоды, и значительно снижает индуцированную фотоионизацией деградацию активных матриц.
Известное в настоящее время количество пригодных для использования в видимом, УФ, а, особенно, в ВУФ диапазонах спектра материалов весьма ограничено. К наиболее подходящим из них можно отнести неорганические фториды, поскольку данные кристаллы имеют наиболее коротковолновые границы собственного пропускания в сравнении с оксидами и наибольшую химическую стойкость в сравнении с другими классами соединений. Большое значение, также, имеет изоморфизм матричных кристаллов (матрицы) по отношению к РЗИ и изовалентное замещение активным ионом компонента матрицы. Из известных фторидных материалов одной из перспективных матриц для лазеров видимого, УФ и ВУФ диапазонов спектра являются кристаллы с моноклинной-структурой BaY2F8. В данной структуре позиции катионов^ разделены с высокой разностью- координационных чисел, что обещает проявить наивысшую стойкость при высокоэнергетическом облучении. Кроме того, коротковолновая граница собственного пропускания монокристалла BaY2F8 расположена на длине волны 125 нм, и он обладает 100% изоморфной емкостью по отношению к РЗИ иттриевой подгруппы [1,2].
Однако, указанные возможности реализуются только на монокристаллах высокого качества: с низким содержанием фоновых примесей, стойких к высокоэнергетичному коротковолновому излучению и т.д., поэтому вопросы практического применения лазерных матриц лежат также в области разработки технологии их выращивания, позволяющей получать высококачественные ориентированные кристаллы, легированные заданными концентрациями активатора/ов.
Фундаментальное свойство РЗИ в диэлектрических кристаллах -энергетическая многоуровневость и связанные с ней разнообразные люминесцентные и абсорбционные каналы являются широким плацдармом для разнообразных построений в области взаимодействия вещества с излучением накачки. Несмотря на то, что к настоящему времени в литературных источниках представлено множество ап-конверсионных механизмов, существует лишь одна работа, в которых была получена лазерная генерация видимого диапазона спектра при диодной накачке кристаллических активных сред [3]. В ряде работ [4-5] источником накачки служил непрерывный полупроводниковый лазер с оптическим возбуждением (ОЗР) от лазера на основе АЬОз:Т13+, однако, основной объем исследований в области изучения ап-конверсии проводится с использованием лазеров на УзА^Оп^ё3"1" (УАО:Кс13+), А1203:Т13+ и красителях, поскольку они обладают возможностью получения высоких плотностей мощности накачки и плавной перестройки длины волны генерации, что позволяет исследовать различные механизмы возбуждения [6-9].
В связи со значительным прогрессом в последнее время в исследовании полупроводниковых лазеров открываются большие перспективы для создания разнообразных ап-конверсионных твердотельных лазерных сред для получения генерации в широком диапазоне длин волн от дальней ИК до УФ областей спектра.
Цель настоящей диссертации состоит в разработке активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра с диодной накачкой.
Основные задачи работы:
1) Разработать ап-конверсионные схемы возбуждения эффективной многополосной люминесценции видимого и УФ диапазонов спектра при использовании в качестве источников накачки серийных лазерных диодов;
2) Определить критерии отбора и обосновать выбор матрицы для практической реализации разработанных ап-конверсионных схем;
3) Разработать методику выращивания активированных монокристаллов и получить образцы для исследований;
4) Провести комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств полученных образцов при использовании одно- и многоволновой диодной накачки.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1) Реализованы ап-конверсионные схемы возбуждения эффективной многополосной люминесценции на, длинах волн 450-500, 510-560 и 570-650
1 1 Ч I нм в активной среде ВаУ2р8:УЬ ,Рг по механизмам ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния при использовании в качестве источников накачки серийных ИК лазерных диодов.
2) Предложены ап-конверсионные схемы возбуждения люминесценции в УФ диапазоне спектра на длинах волн 312-357 нм и 225-236 нм в активной среде по механизмам ступенчатой сенсибилизации и одно- или двухфотонному поглощению с высоколежащего состояния Ро иона Рг3+ при использовании в качестве источников накачки лазерных диодов с длинами волн генерации на 960, 840, 810-808 и 405 нм.
3) Проанализированы ап-конверсионные механизмы возбуждения многополосной, люминесценции с высоколежащих- 4?- состояний иона Рг в • •л I матрице ВаУ2рв:УЬ ,Рг и показано, что применение многоволновой; накачки позволяет получать десятикратный рост интенсивности отдельных полос люминесценции видимого диапазона спектра по сравнению с одноволновой накачкой при суммарной оптической мощности возбуждающих пучков до 5 Вт.
4) Измерено поглощение активаторов УЬ3+ и Рг3+ в моноклинной матрице л I о.«
ВаУ2Б8:УЬ ,Рг . Максимальная величина коэффициента поглощения выявлена вдоль направления кристаллографической оси Ь, что позволит повысить эффективность поглощения^ пучков накачки? при: уменьшении геометрических размеров активной среды.
5); Комплексно исследованы и решены основные технологические проблемы, возникающие: при выращивании моноклинных монокристаллов ВаУгРв, такие как: образование непрозрачной; фазы в виде полосчатых включений; в объеме или в виде шапки; сокращающей полезную длину кристалла; отсутствие затравливания и, образование полностью непрозрачной були в результате, массовой кристаллизации в объеме расплава; непредсказуемые напряжения и трещины. Решение указанных- проблем, сконструированный тепловой блок . и графитовый тигель позволили разработать методику выращивания ориентированных монокристаллов ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ и ВаУ2р8'УЬ3+,Рг3+,Се3+, позволившую получать образцы с концентрацией неизоморфных активаторов до О;83% (ат.); длиной до 50 мм и диаметром до 25 мм со стабильным выходом годных кристаллов около 70%.
6) Исследовано влияние кристаллографической ориентации затравки, на • качество и скорость роста моноклинных кристаллов ВаУ2р8- Выявлено направление преимущественного роста [111], позволившее увеличить скорость роста с 3 до 11 мм/ч без ухудшения качества выращенных монокристаллов.
7) Высказано предположение о кластерном вхождении РЗИ в матрицу ВаУ2Р8, что является необходимым условием для действия механизма ступенчатой сенсибилизации. Показано, что при концентрации иона УЬ3+ в матрице ВаУ2Р8, равной сумме концентраций ионов Рг3+ и Се3+, возможно получение бездефектных кристаллов с высокой концентрацией неизоморфных активаторов порядка 0,83% (ат.).
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенных исследЬваний являются основой для создания компактных полностью твердотельных лазеров с диодной накачкой, генерирующих излучение в значительной части видимого и части УФ диапазонов спектра. Использование разработанных ап-конверсионных схем накачки кристаллических активных сред ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ и ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3 %Се3+ позволит решит проблемы связанные с соляризацией активных сред и отсутствием выбора удобных твердотельных источников накачки. Разработанная методика выращивания монокристаллов ВаУ2Р8 методом Бриджмена позволяет получать высококачественные ориентированные кристаллы с заданными концентрациями активаторов РЗИ, что является критической стадией для внедрения данных активных сред в практику, а выявленное4 направления преимущественного роста [111] обеспечивает высокое качество и скорость роста кристаллов. Полученные образцы активных сред ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ и ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+,Се3+ позволяют проводить исследования по достижению генерации в видимой и УФ областях спектра.
Личный вклад автора
В изложенных в диссертационной работе исследованиях автору принадлежит разработка ап-конверсионных схем накачки активных сред, получение опытных образцов и проведение их спектроскопических исследований, а также участие в анализе полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Достижение интенсивной многополосной люминесценции на длинах волн 570-650, 510-560 и 450-500 нм в активной среде ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ с высоколежащих 3Р[ + !16; 3Ро - состояний иона Рг3+ реализовано по ап-конверсионному механизму ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния при использовании одно- или многоволновой накачки серийными лазерными диодами ИК диапазона спектра.
2) Разработанная методика выращивания ориентированных кристаллов ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ и ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+,Се3+ позволяет получать образцы с концентрацией неизоморфных активаторов до 0,83% (ат.), длиной до 50 мм и диаметром до 25 мм со стабильным выходом годных кристаллов около 70%.
3) Ориентация „моноклинного кристалла ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+ значительно влияет на величину коэффициента поглощения активаторов, а'ориентация затравки - на качество и скорость его роста. Максимальные величины
1 I 1 I коэффициентов поглощения ионов УЬ и Рг в матрице ВаУ2Р8 получены вдоль кристаллографической оси Ь, а найденное направление преимущественного' роста [111] позволяет увеличить скорость роста совершенных монокристаллов с 3 до 11 мм/ч.
4) Использование многоволновой диодной накачки (на 960, 840, 808-810
Эх <3 I нм) активной среды ВаУ2Р8:УЬ ,Рг по механизмам ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния позволяет получать десятикратный рост интенсивности отдельных полос люминесценции видимого диапазона спектра по сравнению с одноволновой накачкой (на 960 нм) при суммарной оптической мощности возбуждающих пучков до 5 Вт.
5) Достижение люминесценции в УФ области спектра на длинах волн 312357 нм и 225-236 нм в активной матрице ВаУ2Р8:УЬ3+,Рг3+,Се3+ может осуществляться по ап-конверсионному механизму ступенчатой сенсибилизации и одно- или двухфотонновому поглощению с высоколежащего состояния 3Р0 иона Рг3+ при накачке серийными лазерными диодами ИК и видимого диапазонов спектра.
Апробация работы
Основные результаты и материалы работы докладывались на второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященной памяти М.П. Шаскольской, МИСиС, Москва 2003; XIII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ion, Irkytsk 2007; XII Conference on Laser Optics, St.Petersburg 2006.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах (4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, 6 тезисов докладов).
1. Уварова Т.В., Пушкарь A.A., Молчанов В.Н. Разработка технологии выращивания монокристаллов BaK^Fg методом вертикальной направленной кристаллизации // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 4, 2004, с. 34.
2. Пушкарь A.A., Уварова Т.В. Ап-конверсионные среды для лазеров УФ- и ВУФ- диапазонов на основе монокристалла BaY2F8 // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 4, 2006, с. 34. .
3. Аполлонов В.В., Пушкарь A.A., Уварова Т.В., Чернов С.П. Поглощение ионов Dy3+ и Nd3+ в монокристаллах BaR2F8 // Физика твердого тела, том 50, 9,
2008, с. 1596.
4. Пушкарь A.A., Уварова Т.В., Молчанов В.Н. Монокристаллы BaY2F8 легированные редкоземельными ионами, как перспективные ап-конверсионные среды для лазеров УФ и ВУФ диапазонов спектра // Квантовая электроника, 38, N4, 2008, с. 333.
5. Pushkar A. A., Ouvarova Т. V., Molchanov V. N. Up-conversion media on basis single crystals BaY2F8 for UV and VUV solid state lasers // Proceedings of the
SPIE - Volume 6610 Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion 2007, Vladimir I. Ustyugov, Editors, 66100KDOI:10.1117/12.739951 (March 30, 2007).
6. Kyiko V.V., Pushkar A.A., Uvarova T.V., Egorov A. Investigation of absorption of Ce3+, Pr3+ and Yb3+ in single crystals of BaR2F8 // Phys. Status Solidi С 6, N SI, S195-197 DOI 10.1002, pssc.200881358, 2009.
7. Пушкарь A.A., Уварова T.B. Разработка технологии выращивания монокристаллов BaY2F8 методом вертикальной направленной кристаллизации // Тезисы докладов второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященная памяти М.П. Шаскольской. -2003, МИСиС, Москва.
8. Pushkar А.А., Uvarova,T.V. Development of BaY2F8 with doped Ce, Pr, Nd Bridgman single crystal technique // Abstracts, International Conference «CRYSTAL MATERIALS-2005» (ICCM'2005), Kharkov, Ukraine, p. 120.
9. Pushkar A.A., Uvarova T.V. Single crystal media for lasers of UV and VUV regions on the basis of BaY2F8 // Book of abstracts and program ICPLC-2005, 2nd International Conference on Physics of Laser Crystals. -2005, Big Yalta, p. 11.
10. Uvarova T.V., Molchanov V.N., Pushkar A.A. Up-conversion media on basis single crystals BaY2F8 for UV and VUV solid state lasers // Technical Program, XII Conference on Laser Optics. -2006., St.Petersburg, p. 39.
11. Pushkar A.A., Uvarova T.V. Multilevel up-conversion schemes in crystals BaY2F8 doped rare-earth elements // XIII Feofllov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ion. — 2007., Irkytsk.
12. Kyiko V.V., Pushkar A.A., Uvarova T.V. Spectroscopy of activators of rare-earth elements eerie and yttrium subgroups in monoclinic matrix BaY2F8 // Third International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMAO8). -2008, Edmonton Alberta, Canada.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал изложен на 123 страницах, содержит 37 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 88 наименований.
