ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИКИ 2012
УДК 535.65.5+535.36
ТРАНСФОРМАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕД (KGW, YVO4) ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ПОЛОСЕ ПРОЗРАЧНОСТИ СРЕДЫ
© 2013 г. И. А. Ходасевич*, А. А. Корниенко**, Е. Б. Дунина**, А. С. Грабчиков*
* Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБеларуси, 220072 Минск, Беларусь ** Витебский государственный технологический университет, 210035 Витебск, Беларусь
E-mail: a.grabtchikov@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 22.01.2013 г.
В работе приводятся данные по исследованию свойств голубого (475 нм) и зеленого (520—560 нм) свечений, возникающих в кристаллах KGW и YVO4 при возбуждении в полосе прозрачности среды непрерывным инфракрасным лазерным излучением с плотностями мощности киловаттного диапазона. Оба свечения отличаются от стандартной люминесценции узкополосностью, наличием структуры и нелинейным характером. В случае голубого свечения отмечается существенное влияние ВКР-генерации, воздействующей на кристалл одновременно с лазерной. Демонстрируется возбуждение свечения только лазерным излучением, приводятся его динамические характеристики с собственными временами, отличающимися от соответствующих времен ВКР- и лазерной генерации. Для зеленого свечения демонстрируется его ап-конверсионная природа при возбуждении несколькими фотонами, обусловленная присутствием ионов эрбия с остаточной низкой концентрацией. Сообщается о резком изменении отношения интенсивностей полос ап-конверсионной люминесценции эрбия с ростом возбуждения. Показано, что развивающееся в KGW нелинейное взаимодействие сопровождается трансформацией пропускания. Делается вывод о том, что исследованные процессы развиваются в недопированных кристаллах KGW и YVO4 вследствие продолжительного воздействия лазерного излучения на среду, приводящего к изменению ее свойств. DOI: 10.7868/S0030403413090122
ВВЕДЕНИЕ
Разработка твердотельных лазерных систем с диодным возбуждением уже несколько десятилетий является приоритетным направлением развития лазерной физики. Эффективность, компактность и другие достоинства этих систем стимулируют исследования по их совершенствованию и расширению сфер применения. В частности, возможности их применений возрастают за счет заполнения лазерным излучением новых спектральных диапазонов при нелинейно-оптическом преобразовании частоты лазерного излучения. Наряду с генерацией гармоник и суммарной частоты, параметрической генерацией вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является также эффективным методом нелинейно-оптического преобразования [1]. В последние годы достигнут значительный прогресс в получении непрерывной ВКР-генерации на кристаллических средах при возбуждении лазерным излучением, в том числе и от непрерывных твердотельных диодно-накачиваемых лазерных систем [2—4].
Являясь нелинейно-оптическим процессом третьего порядка [5], ВКР характеризуется относи-
тельно низким коэффициентом усиления, что налагает особые условия на достижение порога непрерывной генерации. Одно из таких условий — тщательная минимизация внутрирезонаторных потерь для ВКР-излучения. Второе условие следует из необходимости использования достаточно высоких плотностей мощности возбуждающего излучения. В кристаллических средах для достижения порога непрерывного режима ВКР-генера-ции требуются плотности мощности накачки порядка 100 кВт/см2 в ВКР-резонаторе [2]. Хотя на настоящий момент продемонстрирована непрерывная ВКР-генерация на целом ряде кристаллических сред [4] и получена квантовая эффективность преобразования, превышающая 20% [6], обнаружены также и проблемы, препятствующие в некоторых случаях ее дальнейшему развитию. Одной из проблем может являться трансформация оптических свойств используемых сред в условиях воздействия относительно мощного либо генерируемого, либо возбуждающего лазерного излучения [7]. Изменение свойств среды может приводить к росту внутрирезонаторных потерь, поэтому контроль подобных эффектов
важен для обеспечения оптимальных режимов генерации.
Свидетельством трансформационных процессов в кристаллических средах могут являться свечения, возникающие в них под воздействием лазерного излучения, например голубое свечение в области 475 нм в кристалле калий-гадолиниевого вольфрамата (КО^). Впервые голубое свечение наблюдалось в допированном ионами неодима кристалле KGW (КО^Мё) при ВКР-самопреоб-разовании лазерного излучения в работе [8]. В этой работе ВКР достигалось за счет повышения интенсивности лазерного излучения при генерации в режиме пассивной модуляции добротности, приводящей также к генерации импульсов с килогерцовой частотой следования. Энергия лазерной генерации, развивающейся на ионах Мё, дополнительно накапливалась в резонаторе для возбуждения ВКР на колебаниях решетки того же кристалла. Дальнейшие наблюдения голубого свечения связаны с получением непрерывной ВКР-генерации в аналогичном лазере без модуляции добротности [3, 9], т.е. в условиях накопления лазерной энергии в резонаторе и продолжительного действия возбуждающего излучения на кристалл. Попытка устранить голубое свечение как паразитный эффект, предполагаемо обусловленный ап-конверсией на ионах Мё [6], за счет использования композитного (т.е. частично до-пированного по длине) кристалла привела к противоречивому результату — эффективность ВКР-генерации возросла, однако также существенно возросла и наблюдаемая глазом яркость свечения. Был проведен анализ ап-конверсии инфракрасного (ИК) лазерного излучения на ионах тулия и неодима, присутствие которых возможно с остаточными концентрациями, как возможного механизма голубого свечения. Его результаты показали значительное отличие наблюдаемого спектра от спектра испускания тулия. Хотя спектр голубого свечения оказался близким к рассчитанному спектру испускания ионов неодима, оцененная вероятность такого процесса была незначительной [10].
Следует отметить, что на данный момент о наблюдении голубого свечения в ряде других кристаллов сообщалось также в работах [11—15]. Однако, насколько нам известно, окончательного выяснения механизмов, ответственных за развитие голубого свечения в ВКР-кристаллах, сделано не было, поэтому мы считаем важным дальнейшее исследование его свойств.
В нашей работе приводится анализ результатов исследования воздействия непрерывного и квазинепрерывного лазерного излучения на такие широко используемые комбинационно-активные среды, как недопированные (не подвергавшиеся специальному активированию редкоземельными элементами) кристаллы KGW и
ортованадата иттрия (далее УУ04). Сообщается о характеристиках голубого и зеленого свечений, возникающих в каналах ИК лазерного излучения в этих кристаллах, а также рассматриваются особенности их развития. Насколько нам известно, обсуждение в литературе зеленого свечения в не-допированных кристаллах KGW и УУ04, его свойств и природы отсутствует. Отмечается возможность возникновения потерь для лазерного излучения во внутрирезонаторных кристаллических элементах, подвергаемых продолжительному лазерному воздействию.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В условиях эксперимента продолжительное воздействие на кристаллы KGW и УУ04 непрерывного или квазинепрерывного лазерного излучения с длинами волн 0.8, 0.97, 1.06 и 1.2 мкм, попадающими в полосу прозрачности обоих кристаллов, приводило к возникновению голубого или зеленого свечений в них. Оба свечения, как правило, хорошо наблюдаются глазом в канале возбуждения и изотропно направлены. Насколько нам известно, все сообщения о наблюдении голубого свечения в ВКР-активных кристаллах соответствуют внутрирезонаторной схеме возбуждения, что объясняется необходимостью достижения высокой плотности мощности возбуждающего излучения. Условия возбуждения зеленого свечения в наших экспериментах были более мягкими. Оно наблюдалось при фокусировке лазерного излучения в кристалл вне резонатора.
KGW — двуосный кристалл моноклинной структуры с пространственной группой С2/с, широкой полосой пропускания 0.35—5.5 мкм и коэффициентом ВКР-усиления 5.2 см/ГВт (1067 нм). Наиболее интенсивными линиями комбинационного рассеяния являются 767 и 901.5 см-1 (в зависимости от ориентации кристалла) со спектральной полушириной 7.8 и 5.9 см-1 соответственно [16]. В экспериментах использовались кристаллы KGW, вырезанные и возбуждавшиеся вдоль оптической оси Ь.
УУ04 — одноосный кристалл тетрагональной структуры циркона 141/атё, полосой пропускания 0.34—5.4 мкм и коэффициентом ВКР-усиле-ния не менее 4.5 см/ГВт (1064 нм). Наиболее интенсивной линией комбинационного рассеяния является 890 см-1 со спектральной полушириной 3 см-1 [17]. Все использованные в экспериментах кристаллы имели матированные боковые грани, были вырезаны и возбуждались вдоль оптической оси а.
Для исследования спектральных, энергетических и временных параметров голубого и зеленого свечений, возбуждаемых в кристаллах KGW и УУ04, были реализованы экспериментальные схе-
мы, обеспечивающие раздельную или одновременную регистрацию параметров как видимого свечения, так и возбуждающего излучения, например спектр свечения и мощность возбуждающего излучения, или временные параметры лазерного, ВКР-излучения и голубого свечения. При внутрирезонаторной реализации возбуждения кристаллов лазер помещался на горизонтальную подвижку, что давало возможность последовательно регистрировать спектр свечения по всей длине канала возбуждения в кристалле. Замена выходного зеркала позволяла генерировать в нем либо только лазерное, либо одновременно лазерное и ВКР-излучение.
Спектры свечения измерялись в 90° геометрии. Для обзорных спектров в области 200—700 нм использовался спектрометр PSI-line SL40 (Солар ТИИ), а в диапазоне 0.2—1.0 мкм — S-100 (Солар ЛС). Для исследования свечения отдельных спектральных полос применялся лабораторный спектрометр на базе монохроматора MS3504Í (Солар ТИИ) с охлаждаемой жидким азотом CCD-каме-рой Spec-10:256E. При этом излучение из перетяжки диодного лазера или канала генерации фокусировалось на входную щель спектрометра и разлагалось в спектр на решетках 300 или 1200 шт/мм для измерения соотношения интен-сивн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.