книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

54. Алпатъев А . Н., Жариков Е. В., Калинин С. П. и др. // Квантовая электрон. 1986. Т. 13-

51. С. 2127.

Антипенко Б . М ., Глебов А . С., Крутова Л. И. и др. // Там же. 1986. Т. 13. С. 1521.

52.Kaminskii A . A ., Kurbanov К Petrosyan А . G.//Phys. status solid! А. 1987. Vol. 98. Р. К57-

53.Johnson L. F., Geusic J . E., Van Uitert L, G. // Appl. Phys. Lett. 1965. Vol. 7. P. 127.

55.Kintz G. J . , Allen B ., Esierowitz L. // Digest Techn. Pap. Conf. Lasers and electro-opt.

Wash. (D. C.): OSA/IEEE, 1988. P. 414.

P.1193.

59.Chicklis E. P., Naiman C. S ., Folweiler В. C. et al. // Appl. Phys. Lett. 1971. Vol. 19. P. 119.

60.Каминский А . А ., Соболев В. П., Саркисов С. Э. и др. // Изв. АН СССР. Неорган. мате­

риалы. 1982. Т- 18. С. 482.

61. Антипенко Б . М., Синииин Б. В ., Уварова Т. В. // Квантовая электрон. 1980. Т. 7»

С.2019.

62.Антипенко Б. М. И Изв. АН СССР. Сер. фпз. 1984. Т. 48. С. 1373.

Глава 9

ГЕНЕРАЦИЯ Ьп3+-ИОНОВ В КРИСТАЛЛАХ ПРИ СЕЛЕКТИВНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКЕ

Введение

В экспериментах по физике и спектроскопии СИ неорганических соединений лазерной накачке принадлежит особая роль. Этот метод возбуждения генера­

селективность, высокий удельный энерговклад, возможность получения ультра­ коротких импульсов с большой пиковой мощностью п направленность. Если этот метод ранее широко использовался только при поиске новых генерирую­ щих кристаллических соединений, а также в экспериментах по выявлению у активаторов нового лазерного потенциала (каналы и схемы возбуждения СИ), то в последние годы с лазерной накачкой стали разрабатываться эффек­ тивные с большим ресурсом работы кристаллические лазеры (в том числе и ком­ мерческие модели) для решения практических задач. Здесь наметились два ос­ новных направления развития. Первое связано с разработкой так называемых лазерных кристаллических конверторов, которыми осуществляется эффектив­ ное (до ~ 50%) преобразование (например, спектральное) мощного излучения газовых или твердотельных лазеров. Задачи второго направления состоят в повышении энергетической и операционной эффективности кристаллических лазеров широкого профиля путем замены в них газоразрядных ламп накачки на полупроводниковые лазерные источники возбуждения.

9.1.Лазерные кристаллические конверторы

Для оценки выигрыша по энерговкладу в активированную среду при импульс­ ном лазерном возбужденнп по сравнению с ламповым способом накачки рас­ смотрим два возможных экспериментальных случая. Первый может возник­ нуть при работе с возбуждающими лазерными пучками больших сечений, ког­ да обрезание их крыльев геометрической апертурой элемента конвертора не ведет к серьезным энергетическим потерям. В этой ситуации температурный градиент в объеме элемента на момент окончания возбуждения формируется главным образом из-за ослабления интенсивности распространяющихся в нем импульсов накачки. Второй случай возникает при продольном торцевом воз-

Рпс. 9.2. Температурный про­ филь, формирующийся в кри­ сталлическом элементе при профильной накачке его с двух противоположных сторон ла~ верными импульсами равной интенсивностью (а), и схема мыслимого опыта (б)

Пояснения в теисте

из анализа которых следует, что максимальные растягивающие напряжения возникают на границе г — R, где огг = 0, а ау = в&. В этом случае разрушение стержня наступит тогда, когда возникшее в нем результирующее напряжение

получим выражение для оценки предельного энерговклада в случае профильной гауссовой накачки

*г° * = 7 г н з г т г { ( т ) ’ I1 - -«-<*'♦’•} • (9.10)

9.1.3. Численная оценка предельных энерговкладов

Для двух широко применяемых в настоящее время в лазерной технике кристал­ лов Y 3A160 12 и LiYF* с использованием формул (9.5) и (9.10), а также известных значений их теплофизических и механических характеристик (см. табл. 1.13 и работу [2]) проведенные оценки предельных энерговкладов в них, достижимых в условиях равномерного и профильного мощного лазерного возбуждения, дали величины, которые сведены в табл. 9.1. Укажем, что, согласно [3], для им­ пульсной широкополосной ламповой накачки кристаллов, активированных ионами Nd3+, максимально достижимый энерговклад исчисляется лишь едини­ цами джоулей на кубический сантиметр. Таким образом, лазерный способ воз­ буждения обеспечивает выигрыш по энерговкладу на один-два порядка.

Теперь коротко о преимуществах большого энерговклада. Во-первых, его рост позволяет значительно снизить требования к накопительным свойствам лазерного кристалла (т. е. к величине тлк>мего уровней, с которых начинаются

Таблица 9.1. Предельные эиергоиклады в импульсных лазерпых конверторах па основе активированных попами Nd3+ кристаллов Y3A]50i2 п LiYFt, а также

для сравнения неодимового стекла марки ГЛС-23

*Оценки проведены по данным [25].

**При С—0,5 к hL = l .

***При 6=0,5 и Л=2ср.

(вплоть до а 0 1 см-1). При этом растет предельная плотность потока, достпжпмая л среде с пенасыщающимнся потерями р, пропорциональная а 0/р, а также лучше удовлетворяется одно из условий эффективной экстракции вложенной энергии p L <gT 1 за счет уменьшения длины генерирующего элемента L (без

потерн его общего усиления), и расширяется диапазон длительностей световых потоков, л пределах которого запасенная в канале генерации энергия исполь­ зуется эффективно, поскольку полнота энергосъема определяется близостью выходной плотности энергии к плотности потока насыщения. Во-вторых, подъем коэффициента усиления — это одна из возможностей подавления явления самофокусировки. Укорачивая пропорционально а 0 длину усиливающей среды при сохранении усиления па прежнем уровне основного потока, можно бла­

годаря уменьшению величины интеграла распада n,n-1 ] I d L ( п 2 — нелиней­

ная часть коэффициента преломления п и I — плотность мощности лазерного потока) существенно подавить развитие возмущении, в конечном итоге приво­ дящее к распаду пучка. Далее, если при работе с усилительными каскадами ориентироваться на плотности энергии, допустимые предельным значением ин­ теграла распада, то лазерные среды с большим а 0 позволят получнть более вы­ сокие (приблизительно пропорционально а 0) выходпые плотности энергии. На­ конец, в-третьих, рост энерговклада позволяет улучшить выходные энергети­ ческие параметры кристаллических лазеров и при уже существующих объемах их активных сред, обходя сложнейшие задачи их ростового масштабирования. Следует здесь также добавить, что высокие энерговклады в условиях мощной импульсной лазерной накачки могут сочетаться с крайне низким тепловыделе­ нием в генерирующую среду. При ламповом возбуждении подобное сочетание невозможно.

Перечисленные обстоятельства явились основой для разработки концепции лазерных кристаллических конверторов для решения таких фундаментальных проблем квантовой электроники, как расширение спектра частот генерации мощных твердотельных лазеров [4—6], пространственной п временной компрес­ сии их излучения [7, 8], а также создание накопительных кристаллических ла­ зеров для экспериментов по лазерному управляемому термоядерному синтезу 19-11].

9.1.4.Лазерные конверторы иа основе кристаллов с Ьи3*-актпваторами

Анализ свидетельствует [9—11], что применение лазерпых кристаллических конверторов наиболее перспективно в тех задачах, где высокие требования к энергетическим параметрам лазера сочетаются со строгими ограничениями на пространственно-угловые характеристики его излучения. Напрпмер, при решении проблемы создания драйвера для термоядерного лазерного реактора авторы [10, 11] предложили гибридную систему, состоящую из лазерного кон­

вертора на основе, фторида LiYF4—Tm3+, генерирующего в голубой области спектра (межмультиплетный переход Ю2 —> 3# 4, см. рис. 1.14), и эксимерного XeF-лазера в качестве источника накачки. Резонансный характер возбуждения начального состояния lD 2 и преимущественно излучательная дезактивация ко­

рассеивается в виде тепла. Здесь важно отметить, что по этому параметру (теп­ ловыделению) гибридный LiYF4 — Tm3+/XeF-ia3ep имеет более чем десяти­

кратное преимущество перед современными лазерами на основе неодимовых стекол. В известном смысле генерирующую систему LiYF4 — Tm:,+/XeF мож­ но также рассматривать н как альтернативное решение к существующим спо­ собам временной компрессии излучения эксимерных лазеров [12], к тому же отличающееся простотой технического исполнения. Эксимерные лазеры, а также лазеры на основе органических красителей с ламповой накачкой в силу люминесцентно-кинетических особенностей генерирующих в них молекул с энергетической точки зрения на являются накопительными лазерами и функци­ онируют со сравнительно низкими пиковыми мощностями. Быстрая скорость распада их начальных лазерных уровней пз-за высокой вероятности спонтан­ ного излучения исключает возможность прямого получения в этих лазерах моноимпульсного режима с высокой эффективностью. Напротив, лазеры на основе активированных кристаллов относятся к классу накопительных [21, а высокая доля конверсии излучения, проявляемая ими в условиях резонансной накачки, создает предпосылки для конструирования высокомощных гибридных .лазе­ ров, в которых эффективный ненакопительный лазер накачивает кристалличе­ ский лазерный конвертор — временной компрессор излучения. При это.м гиб­ ридная система синтетически объединяет в' себе главные достоинства обоих типов лазеров: высокий энергетический КПД лазера накачки и высокую эф­ фективность монопмпульсного режима лазера на основе активированного кристалла. Изложенный подход временной компрессии лазерного излучения в [8] положен в основу разработки мощного генерирующего в голубой области спектра гибридного лазера на основе кристалла LiYF4 — Рг3+ (канал 3Р 0 —> —> 3# 4, см. рис. 1.9), накачиваемого лазером на красителе.

Вторым классом задач, которые можно решать с помощью кристаллических лазерных конверторов, являются задачи улучшения пространствеыно-угловых характеристик излучения лазеров, например уменьшение расходимости пучка. Дело в том, что при резонансном характере лазерной накачки будет обеспечиваться низкий уровень тепловыделения в активной среде конвертора, а это исключит возникновение в ней чрезмерных термических напряжений и связанных с ними аберраций оптики резонатора в целом. В результате этого волновой фронт в кристалле лазерного конвертора будет искажаться минимально и качество выходного излучения гибридного лазера будет высоким.

Лазерные кристаллические конверторы также широко используются в ис­ следованиях, нацеленных на расширение частот СИ твердотельных лазеров с высокими энергетическими параметрами. Наиболее часто здесь в качестве ис­ точников накачки применяется излучение основного генерационного канала —г 4 n /f (Яси ~ 1,06 мкм) и его вторая гармоника (Яг 0,53 мкм) хорошо разработанных и промышленно выпускаемых неодимовых стеклянных и крис­ таллических лазеров [6, 13—25]. Вторая гармоника этих лазеров служит глав­ ным образом для накачки конверторов, генерирующих в видимой области спек­ тра. Например, подходящими кристаллами для таких конверторов, эффективно преобразующих вторую гармонику неодимовых лазеров в СИ с другой длиной волны, являются, как следует из [5], тетрагональные фториды LiYF4, активи­ рованные ионами Но3+ (лазерный канал 6S2 —> б/ 7) и Er3* (4&/, —> */»/,). Ре­ зонансная схема накачки (см. рис. 1.24) конверторов на основе этих кристаллов и излучательный характер распада остаточного возбуждения с конечных их ла-

зерных уровней, обеспечивая минимальное тепловыделение в генерирующих элементах, позволили авторам [5] реализовать эффективное преобразованпе энергии накачки в СИ с длиной волны —0,75 мкм для кристаллов LiYF4 —

— Но3+ (эффективность ~20% ) и —0,85 мкм для LiYF4 — Ег3+ (—29%) в частотном режиме генерации (40 Гц) без ухудшения КПД конверсии и качества выходного лазерного пучка в течение нескольких минут. При этом средняя вво­ димая в активные среды конверторов плотность мощности равнялась ~ 1 5 кВт/л, а экстрагируемая------ 3 кВт/л и не использовалось специальное охлаждение генерирующих кристаллов. Различие значений экстрагируемой мощности л мощности, вводимой в активную среду конверторов, целиком определяется эффективностью конверсии, так как длительность выходных импульсов СИ понов Но3+ и Ег3+ практически совпадала с длительностью импульсов накачки, не­ смотря на то, что модулирование добротности резонаторов этих кристалличе­ ских лазерных конверторов не применялось. В последнем и не было надобности, поскольку импульс накачки был на несколько порядков короче люминесцентного времени жизни начальных лазерных уровней (3<S2 и 4&/,) исплользуемых актива­ торов. в результате включение кристаллических лазерных конверторов осуще­ ствлялось быстрым нарастанием коэффициента усиления их активных сред.

Аналогичные исследования также широко ведутся и с лазерными конверто­ рами на основе стекол, активированных ионами Ln3+ [26—28]. Имеются пли будут иметь определяющее преимущество кристаллы перед стеклами в твердо­ тельных лазерных конверторах? Этот вопрос не праздный. Такие физические свойства кристаллов [2, 29, 30], как диапазон их оптической прозрачности, ани­ зотропия, достаточно высокая метастабильность большого числа состояний их Ьп^-актпваторов и ряд других известных свойств, конечно, свидетельствуют в пользу лазерных кристаллов. Но окончательный ответ на выше поставленный вопрос могут дать только дальнейшие исследования н практика.

9.2, Кристаллические лазеры с накачкой излучением полупроводниковых инжекционных лазеров

На перспективность использования полупроводниковых инжекционных лазе* ров в качестве источника накачки лазеров на основе активированных диэлектри­ ческих кристаллов, по-видимому, впервые указывалось в [7, 31, 32]. Предпо­ сылкой этому послужил ожидавшийся для этой комбинации высокий результи­ рующий КПД как следствие высокоэффективного преобразования электрической энергии в лазерное излучение полупроводникового псточпика и возможность перестройки его длины волны, облегчающей спектральное согласование с поло­ сами поглощения актпваторпых ионов генерирующего диэлектрика. Авторы 132] отметили еще ряд обстоятельств, делающих эту комбинацию лазеров пред­ почтительней прямого использования выхода полупроводникового лазера. Здесь активированный диэлектрик, например, может действовать как временной ком­ прессор излучения полупроводниковых лазеров накачки. Энергия последних, накапливаясь на начальном метастабильном генерационном состоянии актнваторных ионов, может быть переизлучена в виде одного короткого импульса. Далее, генерирующий активированный кристалл может играть роль трансфор­ матора яркости излучения полупроводниковых лазеров. Собранная со всех на­ правлений энергия накачки инжекционных лазеров излучается затем в узком телесном угле, по крайней мере в 10* раз меньше угла, в котором излучает каждый полупроводниковый лазерный днод. И, наконец, температурная стабиль­ ность спектра СИ лазерного активированного кристалла много выше, и ширина его линии генерации значительно уже, чем у гетеролазера. Перечисленные достоинства составного лазера благоприятствуют его применениям, в частности

для волоконной связи и передачи информации [7], поскольку позволяют суще­ ственно повысить отношение сигнал/шум н снизить требования к уровню по­ терь в стекловолокне.

Несмотря на ясное понимание потенциальных достопнств полупроводниковой лазерной накачки кристаллических лазеров, достигнутое в 60-х годах, реализа­ ция их в полной мере началась лишь в последние годы, после того как были раз­ работаны [33] и созданы эффективные полупроводниковые гетеролазерные струк­ туры, генерирующие при 300 К как в импульсном, так и непрерывном режимах, (см., например, [34—37]). В результате усилий многих научных центров мира создана гамма гетеролазеров, перекрывающих спектральный диапазон от- —0,575 до —1,9 мкм. Часть этого диапазона (—0,7 -г- 0,9 мкм) может бытьохвачена генерацией двухсторонних гетероструктур на основе AlGaAs/GaA& [35].* На этих же структурах получены и нанвысшие результаты по энергетиче­ ским характеристикам. Так, полосковый гетеролазер на основе AlGaAs/GaAs- с шириной активного слоя около 100 мкм способен излучать в непрерывном ре­ жиме более 3 Вт, а в импульсном 8 Вт [38]. Выходная мощность линейной ре­ шетки длиной 1 см подобных гетеролазеров может превосходить 13 Вт в непре­ рывном [39] и 130 Вт в импульсном [40] режимах. Двумерная решетка из таких лазеров в импульсном режиме уже обеспечивает пзлучение с плотностью мощ­ ности более 2 кВт/см2 [41]. Перечисленные характеристики не являются предель­ ными. Имеются основания надеяться, что они в ближайшем будущем будут значительно улучшены. Здесь только добавим, что эффективность высокомощных полупроводниковых лазерных диодов приближается к 60%.

Успех в разработке гетеролазеров видимого диапазона иллюстрирует рис. 9.3. Эти лазеры уже сейчас могут использоваться в качестве источников накачки ла­ зеров на основе диэлектрических кристаллов с такими Ьи3+-активаторами, как Рг3+, Nd3+, Но3+, Ей3* и Т т 3+. На это указывают известные их каналы генерации СИ, начальные уровни которых расположены ниже 17 000 см-1 (см. главу 1). Пока наиболее коротковолновым гетеролазером, генерирующим при 300 К в непрерывном режиме, является AlGaInP-лазер [42]. Самым же коротковол­ новым (0,575 мкм) ннжекцпонным лазером в настоящее время является лазер, описанный в [43], а также следующий за ним недавно созданный непрерывный лазер (0,583 мкм) на основе четверной гетероструктуры AlGalnP [44], которые генерируют при криогенных температурах. Сведения о спектральном составе= других типов полупроводниковых лазеров можно найти в [30, 34, 35].

9.2.1.Основные схемы гетеролазерной накачки

Продольная и поперечная схемы полупроводниковой лазерной накачкп кристал­ лических лазеров с активными элементами в виде стержней в настоящее время являются наиболее используемыми. Выбор схемы определяется прежде всего выходной мощностью составного лазера и в меньшей степени спектральными характеристиками абсорбционной полосы накачки актйваторного иона.

Накопленный опыт свидетельствует о том, что продольная или торцевая схема возбуждения предпочтительна для кристаллических лазеров, генерирую­ щих в одномодовом ТЕМоа-режиме при умеренных уровнях выходной мощно­ сти. Такая конфигурация позволяет достаточно хорошо согласовывать накачи­ ваемый объем активированного кристалла с объемом ТЕМ00-моды резонатора лазера и работать с такими длинами стержней, какие необходимы для эффек­ тивного поглощения энергии возбуждения. В этой геометрии большие длины поглощения смягчают требования к стабильности спектра накачкп, а следо­ вательно, и к температурной стабильности инжекционного лазера. Здесь важно отметить одно обстоятельство. Из-за малых размеров активного слоя полосковой гетероструктуры (а -- 0,1 10 и Ь -■ 10 200 мкм) дифракционная расхо_ димость генерируемого излучения во внешней среде оказывается весьма зыа_

Рис. 9.5. Вид сверху (а) и сбоку (6) призменной анаморфотной оптиче­ ской системы связи составного ла­ зера [45] и схема (в) типичного ре­

зонатора его одномодового кристал­ лического диэлектрического лазера

1 — полосковый гетсролазер, г — линзыя

3 — призмы. 4 — лазерный диэлектриче­ ский кристалл, 3i — плоское и 3 2— сфе­

рическое зеркала. Простой штриховкой по­ казан объем заполнения резонатора TEMoo-модой. а перекрестной пггрихопкой — «прокачиваемый» объем активиро­ ванного кристалла излученнем[гетеролазсра

ному слою гетеролазера (рис. 9.5, а), после^коллнмации первой линзой его излу­ чение проходит через систему призм, не испытывая преобразования, н фоку­ сируется в активный элемент второй линзой. В ортогональной плоскости (рис. 9.5, б) призмы расширяют пучок, в результате чего после фокусирующей линзы сечение сходящегося пучка будет более округлым.

Использование такой системы связи позволило авторам [46] создать высоко­ эффективный (15,8%) одномодовый непрерывный лазер на основе кристалла YV04 — Nd3+ В числе факторов, обусловивших этот результат, находится хо­ рошее согласование накачиваемого объема с модовым объемом резонатора, кон­ фигурация которого (рис. 9.5, в) в настоящее время стала типичной для кри­ сталлических лазеров с торцевой лазерной накачкой. Как видно, резонатор образован плоским зеркалом в виде нанесенного на торец кристаллического