Регистрация / Вход
Прислать материал

ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ И ГЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В АКТИВНОЙ СРЕДЕ LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+

Сведения об участнике
ФИО
Фарухшин Ильнур Ильдарович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ И ГЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В АКТИВНОЙ СРЕДЕ LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+
Резюме
Получена лазерная генерация в одноимпульсном режиме в активной среде LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ с длительностью импульса 400 пс на длине волны 311 нм за счет модуляции внутрирезонаторных потерь. Модуляции внутрирезонаторных потерь осуществлялась путем обесцвечивания наведенных центров окраски.
Ключевые слова
Ультрафиолетовое излучение, трердотельные лазеры, модуляция добротности, редкоземельные ионы
Цели и задачи
Целью данной работы является получение ультракоротких импульсов в LiLu0.7Y0.7F4:Ce3+ (Ce:LLYF) в УФ диапазоне спектра и исследование лазерных характеристик активной среды в режиме генерации коротких импульсов.
Введение

Сегодня развитие технологий требует применения оптических квантовых генераторов в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра с импульсами короткой и ультракороткой длительности[1]. Одним из перспективных методов получения УФ излучения является использование фторидных кристаллов, активированных ионами Ce3+, в качестве активной среды. Фторидные кристаллы, активированные ионами  Ce3+, позволяют получать короткие импульсы с длительность от десятков наносекунд вплоть до субнаносекунд.

Методы и материалы

Среди трехвалентных ионов лантаноидов ион церия имеет минимальную энергию 5d состояния, которая составляет примерно 50000 см-1. Так, например, генерация лазерного УФ излучения в кристаллах гомологах Ce:LLYF и Ce3+:LiLuF4 образуется в результате вынужденного излучения межконфигурационных 4f-5d переходов ионов Ce3+, возбужденных лазерным УФ излучением [2]. В результате фотодинамических процессов при взаимодействии с УФ излучением в этих активных средах происходит образование центров окраски [3]. В свою очередь центры окраски поглощают энергию лазерной генерации, тем самым определяя внутрирезонаторные потери [3,4]. Величина потерь на центрах окраски зависит от плотности излучения внутри активной среды и не является постоянной во время эксперимента [3,4]. Данный факт дает возможность использовать поглощение центров окраски для пассивной модуляции добротности или возможной синхронизации мод.  
Экспериментальная установка, реализованная для получения ультракоротких импульсов в УФ диапазоне, включает в себя твердотельный лазер на LiCaAlF6:Ce3+ с энергией генерации до 2.5 мДж на длине волны 289 нм и частотой следования импульсов 10 Гц. Исследуемый образец LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ выращен методом Бриджмена-Стокбаргера и содержит 1 ат. % ионов Ce3+. Низкодобротный резонатор Ce:LLYF имел длину 20 мм и выходное зеркало с коэффициентом отражения 25%.

Описание и обсуждение результатов


Рис.1 Временное распределение лазерных импульсов полученных с Ce:LLYF и Ce:LICAF.
Лазерная генерация с Ce:LLYF получена на длине волны 311 нм с длительностью импульсов 400 пс (Рис. 1), излучение накачки имело длительность импульса порядка 6,4 нс. Время жизни фотона в резонаторе составляло 300 пс. Длительность импульса лазерной генерации Ce:LLYF превышает время жизни фотона в резонаторе, что свидетельствует о многопичковом режиме. Однако мы наблюдаем единичный импульс, что говорит о возможной модуляции добротности.

В других работах показано, что увеличение плотности лазерной генерации в активной среде приводит к обесцвечиванию центров окраски [3,4]. Потери при более высоких энергиях излучения накачки, где, по всей видимости, интенсивность лазерного излучения также высока, будут ниже. В свою очередь, число центров окраски зависит от обесцвечивающих факторов, к которым относятся внешняя подсветка. Это открывает возможность управления числом центров окраски.

Мы разработали модель динамических процессов в Ce:LLYF, которая содержит 4f-5d лазерные переходы иона Ce3+, поглощение из возбужденного состояния, фотоионизационные процессы и образование центров окраски. В данной модели мы учитываем поглощение лазерной генерации центрами окраски, которыe влияет на внутрирезонаторные потери, и обесцвечивание центров окраски за счет внешней подсветки и температурного фактора. Путем численного решения системы скоростных уравнений была смоделирована лазерная генерация исследуемой активной среды.

Рис. 2 Экспериментальное и теоретическое временное распределение лазерной генерации с Ce:LLYF в низкодобротном режиме.

Из работы [5] известно, что  параметры активной среды Ce:LLYF при внешней подсветке на длине волны 532 нм улучшаются за счет обесцвечивания центров окраски. В настоящей работе показано, что при внешней подсветке растет интенсивность лазерной генерации и формируется дополнительный синхронизованный импульс с длительность порядка 600 пс и задержкой 2,5 нс(Рис. 2). По результатам математического моделирования видно, что в лазерной генерации появляется дополнительный импульс и интенсивность генерации растет. При рассмотрении системы без центров окраски однопичковый режим в лазерной генерации отсутствует, что не соответствует экспериментальным результатам. Таким образом, центры окраски расширяют возможный диапазон получения коротких импульсов и стабилизируют лазерные импульсы во времени.
Мы предполагаем, что укорочение импульса лазерной генерации связано с пассивной модуляцией добротности за счет обесцвечивания центров окраски, поглощающих импульс накачки. В результате измерений было зафиксировано изменение внутрирезонаторных потерь и показано, что управление потерями может осуществляться за счет изменения энергии накачки, изменения коэффициента отражения выходных зеркал и внешней резонансной подсветки.

Используемые источники
[1] Saliminia A, et. al, Inscription of strong Bragg gratings in pure silica photonic crystal fibers using UV femtosecond laser pulses, 2014 Optics Communications 333 133-138
[2] Dubinskii, M.A., et.al,, On the interconfigurational 4f25d-4f3 VUV and UV fluorescence features of Nd3+ in LiYF4 (YLF) single crystals under F2 laser pumping 1992 Optics Communications 94 (1-3) 115-118
[3] Lim, K.-S., et.al., UV-induced loss mechanisms in a Ce3+:YLiF4 laser, (1988) Journal of Luminescence, 40-41 (C), pp. 319-320
[4] Semashko, V.V. et.al., Photodynamic nonlinear processes in UV solid-state active media and approaches to improving material laser performance, 2002 Proceedings of SPIE 4766 119-126
[5] Nurtdinova, L.A., et.al., Enhanced efficiency ultraviolet LiYXLu1-XF4:RE3+ (RE = Ce,Yb) laser, 2014 Las. Phys. Lett. 11 (12) 125807
Information about the project
Surname Name
FARUKHSHIN ILNUR
Project title
COLOR CENTERS TRANSIENT ABSORPTION AND ULTRA-SHORT PULSE LASING FROM LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ ACTIVE MEDIUM
Summary of the project
We have obtained the single pulse laser oscillation with 400 ps at 311 nm from LiLu0.7Y0.3F4:Ce3+ crystal. Short pulse was obtained from intracavity loss modulation via pump-induced color centers bleaching. Modulation of intracavity losses is regulated via color centers concentrations.
Keywords
Ultraviolet sources, rare earth materials, Q-factor modulation, solis-state lasers