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.
5 6. |
Johnson L . F., |
Geusic J. E., Van |
Uitert L. G. // Appl. |
Phys. Lett. 1966. Vol. |
8. |
P. 200. |
|||
57. |
Beck |
B ., |
Guts |
K. // |
J. Appl. Phys. 1975. Vol. 46. P. |
5224. |
Vol. |
24. P. |
|
58. |
Lotem |
H., |
Kalisky Y |
Kagan J ., |
Sagie D. // IEEE J. |
Quant. Electron. 1988. |
|||
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
ции ы люминесценции |
активированных |
кристаллов |
обладает по сравнению |
с другими известными |
способами рядом |
преимуществ, |
главные из которых — |
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
(Уп = |
У |
Ов + o 2v |
|
сравняется с модулем разрыва сг. Преобразуя равенство |
|
||
«г = |
/ 2 |
сг„(Д), |
(9.9) |
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
индуцированные переходы). Во-вторых, |
повышение энерговклада |
приводит |
к существенному подъему коэффициента |
усиления генерирующего |
кристалла |
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
|
Пределышй энерговклад, Дж/см3 |
|
|
Схема накачки |
Y3A1SO,2 |
LiYF4 |
ГЛС-23 * |
|
|||
Равномерпая ** |
1100 |
700 |
450 |
Профильная *** |
600 |
400 |
250 |
*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