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