Современные твердотельные лазеры

16

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

1. Общие свойства

2. Анализ современной проблематики исследований в области лазерной физики (современные твердотельные лазеры)

3. Твердотельные лазеры нового поколения

4. Нелинейная динамика твердотельных лазеров

5. Применение твердотельных лазеров в фундаментальной метрологии

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Лазерное излучение используется во многих областях человеческой деятельности: машиностроении, сельском хозяйстве, медицине, связи, для обработки и хранения информации, измерения расстояний, времени и скорости, в научных исследованиях. Разные области применения налагают специфические для этой области требования к лазерам: для сварки, резки и сверления металлов необходимы мощные лазеры непрерывного действия, а для исследования быстропротекающих процессов лазеры, излучающие очень короткие, но энергичные импульсы, и т.д. В частности, для связи и обработки информации желательно иметь миниатюрные, но довольно мощные импульсные или непрерывные лазеры. Для этого используют твердотельные лазеры с высокоэффективными (то есть с большим КПД) активными элементами. О них и пойдёт речь в данной работе.

1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА

Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмоиттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора -- между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).

Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами.

Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.

Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.

Твердотельные лазеры

2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ ПРОБЛЕМАТИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ (СОВРЕМЕННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ)

В последние годы в мировой науке наметился значительный прогресс в целом ряде областей лазерной физики и лазерных технологий. Достижения современной лазерной физики широко используются и в области фундаментальных исследований, и при решении многих прикладных задач. Сегодня уже можно говорить о лазерном приборостроении и лазерных технологиях как о самостоятельных областях техники.

Совершенно очевидно, что дальнейший прогресс в этой области знаний невозможен без четкого понимания основных проблем лазерной физики и возможных путей ее развития в ближайшее время. Для правильного же прогнозирования развития этой области науки в России необходим детальный анализ ее современного состояния.

Современная лазерная физика представляет настолько широкую область человеческих знаний, что, рассматривая современное состояние даже отдельных ее направлений, в одном обзоре невозможно охватить все важнейшие проблемы. Целью настоящего обзора является анализ положения дел в области лазерной физики, связанной с созданием, исследованием и применением современных твердотельных лазеров.

При этом в настоящем обзоре рассматриваются только наиболее приоритетные, с нашей точки зрения, и быстро развивающиеся направления этого раздела лазерной физики.

К этим направлениям, в первую очередь, можно отнести следующие:

сверхсильные световые поля,

твердотельные лазеры нового поколения,

нелинейную динамику твердотельных лазеров,

волоконные лазеры и волоконную оптику,

применения твердотельных лазеров в фундаментальной метрологии.

3. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Разработка, создание и исследование ТЛПН - одно из наиболее быстро развивающихся направлений лазерной физики. Велик и разнообразен объем фундаментальных исследований в этом направлении. Детальные исследования конкуренции аксиальных ортогонально поляризованных мод в таком лазере позволили выявить новые закономерности в динамике его излучения. Отметим, что в последние годы бурно развиваются за рубежом исследования лазеров и лазерных систем, использующих распределенные доменные структуры (РДС). Работы в этом направлении ведутся в МЛЦ МГУ (Лаптев Г.Д. грант № 00-02-16040 "Взаимодействие световых волн в нелинейных и активно-нелинейных кристаллах с регулярной доменной структурой", Прялкин В.И. грант № 00-02-17269 "Трехчастотные взаимодействия интенсивных фемтосекундных импульсов в нелинейных кристаллах в условиях группового синхронизма"). В результате проведенных исследований разработана методика получения распределенных доменных структур с нужными параметрами, развита теория квазисинхронного взаимодействия в активно-нелинейной среде с РДС и впервые получена непрерывная генерация второй гармоники (l = 0,542 мкм) в условиях самоудвоения частоты в кристалле Nd:Mg:LiNbO3 (l = 1,084 мкм) c такой структурой при полупроводниковой накачке. Использование полупроводниковой накачки открывает новые возможности в области разработки и создания современных высокоэффективных лазерных устройств нового поколения: миниатюрных высокостабильных лазеров и лазерных систем, обладающих высокой надежностью и имеющих большой ресурс работы. Несмотря на то, что реализация в ТЛПН различных режимов генерации, в принципе, ничем не отличается от реализации таких режимов в традиционных лазерах, полупроводниковая накачка обеспечивает существенный прогресс в лазерной технике.

Высокая эффективность ТЛПН, работающих в режиме модулированной добротности, открывает, например, широкие перспективы их использования в установках для термоядерного синтеза. Поэтому и неудивителен интерес исследователей к созданию ТЛПН, генерирующих короткие импульсы с предельно высокой энергией. В настоящее время в США создана экспериментальная лазерная установка на основе ТЛПН, позволяющая получать 10-джоульные импульсы длительностью порядка 20 нс и частотой следования порядка 10 Гц. С сожалением приходится отметить, что в этом направлении работы у нас в стране практически не ведутся. Широкое распространение получили высокостабильные одночастотные монолитные лазеры с относительной (мгновенной) шириной спектра порядка 10-17 - 10-18, используемые как при проведении фундаментальных исследований (в частности, при поиске гравитационных волн), так и для различных технических применений (доплеровские измерительные системы и лазерная гироскопия, гетеродинная оптическая связь и т.п.). В настоящее время уже созданы малогабаритные высокостабильные фемтосекундные лазеры с полупроводниковой накачкой, что имеет немаловажное значение для широкого внедрения современной лазерной техники в лабораторную практику.

Одно из достижений в области ТЛПН - это генерация УКИ с частотой следования в несколько десятков ГГц. Так, например, в сообщается о YVO4 :Nd лазере, позволяющем генерировать УКИ длительностью 6 нс с частотой следования 59 ГГц. Аналогичные исследования у нас в стране также, к сожалению, отсутствуют. Интенсивно в последние годы ведутся разработка и исследование монолитных лазеров с самопреобразованием (генерация гармоник и суммарных частот, параметрическое и ВКР-преобразование частот) частот при использовании в качестве активных элементов нелинейно-активных сред. Заметное место в лазерной физике, как у нас, так и за рубежом занимают исследования, направленные на синтез и исследование высокоэффективных активных и нелинейных сред для ТЛПН. Среди работ этого направления можно отметить гранты РФФИ № 98-02-16112 (Буташин А.В., ИК РАН, "Поиск и характеризация новых кристаллов с редкоземельными ионами (Pr, Tb, Dy) для высокоэффективных лазеров, генерирующих в практически важных диапазонах спектра с диодно-лазерной накачкой"). Детальные исследования физических характеристик новых кристаллов позволили создать ряд новых микролазеров с выходными характеристиками, соответствующими мировому уровню, а в ряде случаев и превосходящими его. Так, например, созданы чип-лазеры на кристаллах YVO4 (l = 0,914 мкм) c внутрирезонаторной генерацией второй гармоники (l = 0,457 мкм), GdVO4:Tm (l = 1.915 мкм с выходной мощностью более ватта) и GdVO4:Nd (l = 1,06 мкм с выходной мощностью более четырех ватт). Проведенные исследования показали, что при полупроводниковой накачке матрица GdVO4 имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средами. Определенный практический интерес представляют и лазеры на таких традиционных кристаллах как YAG:Nd, генерирующие на длине волны 1,112, поскольку вторая гармоника (l = 0,556 мкм) излучения этого лазера близка к сильным линиям поглощения атомов Yb и Ce. Среди интересных работ этого направления можно выделить и работы по синтезу новых фторидных лютецийсодержащих кристаллов, таких как CaLu2F8:Nd3+ и BaLu2F8:Er3+, отличающихся сравнительно узким фононным спектром и частично разупорядоченной структурой, что делает их перспективными для апконверсионных лазеров. Заметим, что по сравнению с другими редкоземельными матрицами лютецийсодержащие кристаллы отличаются повышенной механической и оптической прочностью. Наряду с кристаллами в ТЛПН начинают применяться и специально разработанные лазерные стекла. Так в работах сообщается о разработке и комплексном исследовании высококонцентрированных иттербий-эрбиевых лазерных стекол для микролазеров с полупроводниковой накачкой. Важной задачей лазерной физики является также поиск и исследование новых ВКР-активных кристаллов, необходимых для создания источников излучения в новых спектральных диапазонах. Как достижение следует отметить впервые проведенные систематические исследования люминесценции оптических центров на основе ионов Cr4+ и Cr3+ в кристаллах форстерита, позволившие сформулировать критерии оценки лазерных характеристик активных материалов, допированных ионами Cr.

Было показано, что генерация на трехвалентных ионах хрома делает форстерит потенциальным лазерным материалом для ближнего ИК диапазона. Интерес к таким исследованиям связан с созданием оптических усилителей, работающих в диапазоне 1,3 мкм и необходимых для использования в оптических каналах связи. В рамках этого гранта исследовано дефектообразование в кристаллах форстерита и оптимизированы условия роста этих кристаллов, что имеет большое значение для повышения эффективности фемтосекундных лазеров. В последние годы возрождается интерес к ацентричным лазерным кристаллам, что связано с тем, что среди кристаллов этого класса обнаружен целый ряд кристаллов, пригодных для самоумножения частотыДифференциальный КПД такого лазера составляет 51 %, квантовая эффективность 89 %, а коэффициент усиления 0,32 см-1. За рубежом широко ведутся работы по повышению эффективности использования полупроводниковой накачки в мощных ТЛПН. Несомненны и успехи в этой области. Так в работе сообщается о создании Nd:YAG-лазера с выходной мощностью 320 Вт и полным КПД "от сети" 28 %. С сожалением приходится отметить наше сильное отставание от зарубежных исследований в этом направлении лазерной физики. Столь же велико наше отставание и в таком перспективном и быстро развивающемся направлении, как разработка и исследование твердотельных лазеров, использующих в качестве активной среды не активированные монокристаллы, а активированную керамику

4. НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Важное место в современных исследованиях занимает нелинейная динамика твердотельных линейных и особенно твердотельных кольцевых лазеров (ТКЛ). Это объясняется широчайшими возможностями их использования в фундаментальной лазерной физике и лазерной технике. Твердотельный кольцевой лазер с однородно уширенной линией усиления является сложной нелинейной системой, в которой вследствие конкуренции и связи между встречными волнами может возникать ряд специфических режимов двунаправленной и однонаправленной генерации, отсутствующих в линейных лазерах. Особенностью динамики излучения ТКЛ является высокая чувствительность к частотной невзаимности резонатора. Благодаря этому становится возможным проведение прецизионных исследований различных невзаимных эффектов. Можно отметить, что теория, адекватно описывающая нелинейную динамику кольцевых твердотельных лазеров, в значительной мере развита трудами российских ученых. Значительный вклад ими внесен и в экспериментальные исследования кольцевых твердотельных лазеров. Большое значение для фундаментальной лазерной физики имеют и детальные экспериментальные работы, посвященные исследованию нелинейного взаимодействия волн в кольцевых монолитных ТЛПН. Эти исследования позволили установить ряд новых закономерностей в динамике их генерации. Было, например, установлено, что имеющая место в таких лазерах нелинейная связь между автомодуляционными и релаксационными частотами открывает принципиально новую возможность стабилизации параметров лазера. В частности, оказывается возможной стабилизация частоты автомодуляционных колебаний при стабилизации релаксационной частоты, путем привязки последней к высокостабильному эталонному источнику радиочастоты. Такой эксперимент, в результате которого стабильность автомодуляционных колебаний была повышена почти на порядок. Большое научное и прикладное значение имеют теоретические и экспериментальные исследование нелинейной динамики одночастотных и двухчастотных кольцевых чип-лазеров (исследование стационарных режимов генерации, автоколебательных, релаксационных и параметрических процессов), проведенные в последние годы. Оригинальные результаты были получены, в частности, при исследовании влияния магнитного поля на активную среду твердотельного кольцевого лазера. Экспериментально было установлено, что в этом случае возникает зависящий от магнитного поля фазовый сдвиг между автомодуляционными колебаниями интенсивностей встречных волн. В работе детально проанализировано влияние частотной невзаимности оптического резонатора на нелинейную динамику излучения твердотельных кольцевых лазеров и рассмотрены различные возможности измерения этой невзаимности. В процессе исследования динамического хаоса экспериментально были обнаружены режимы синхронного и несинхронного хаоса. Показано, что возможен как режим полной синхронизации хаотических колебаний, когда интенсивности встречных волн оказываются равными, так и режим обобщенной синхронизации, когда сумма интенсивностей встречных волн изменяется во времени хаотически, а разность интенсивностей является периодической функцией времени. Было показано, что с увеличением частотной невзаимности резонатора режим полной синхронизации переходит в режим обобщенной синхронизации. Новые результаты получены при исследовании низкочастотной динамики и релаксационных процессов в твердотельных лазерах.

В частности развита модель биполяризационного лазера, учитывающая фазочувствительное взаимодействие ортогонально поляризованных мод, и детально исследована низкочастотная динамика монолитного кольцевого лазера в магнитном поле. Исследована динамика разности фаз встречных волн в твердотельном кольцевом лазере в режиме динамического хаоса. Показано, что амплитудная невзаимность кольцевого резонатора играет существенную роль в процессе синхронизации хаоса встречных волн. Еще один интересный результат в области нелинейной динамики лазеров получен при исследовании закономерностей формирования поляризационных характеристик излучения твердотельных лазеров при наличии в резонаторе таких нелинейных элементов как, например, YAG:Cr4+.

Проведенные исследования позволили не только обнаружить скрытую анизотропию кубического кристалла, но детально исследовать ее, создав теоретическую модель, адекватно описывающую влияние скрытой анизотропии оптических свойств кристаллов и нелинейное самоиндуцированное изменение поляризации выходного излучения лазера. Обнаруженное явление было использовано для синхронизации мод твердотельных лазеров. В рамках этого гранта теоретически и экспериментально исследован физический механизм формирования долгоживущего фотонного эха и долговременной фазовой памяти в кристаллах, активированных некрамерсовыми редкоземельными ионами. Экспериментально в кристалле LaF3:Pr3+ при гелиевой температуре обнаружено явление сверхизлучения.

Актуальной задачей современной лазерной физики является создание мощных фазированных источников излучения на основе большого числа лазерных излучателей. Разработка фазированных источников излучения диктуется необходимостью создания мощных излучателей с хорошей пространственной и временной структурой поля излучения, широко применяемых в науке и технике. Важной проблемой, стоящей перед исследователями, является фазовая взаимная синхронизация набора (решетки) N идентичных лазеров, открывающая возможность создания мощных источников, обладающих высоким качеством (высокой интенсивностью и малой расходимостью) излучения. Наиболее исследованной как теоретически, так и экспериментально является синхронизация решеток газовых и полупроводниковых лазеров. Фазированные матрицы полупроводниковых лазеров широко используются в качестве источников накачки современных твердотельных лазеров. В настоящее время на повестке дня стоит вопрос об эффективной синхронизации линеек и двумерных матриц ТЛПН.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ В ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ

Исследования в этой области квантовой метрологии у нас сосредоточены, в основном, в ИЛФ СО РАН. Сотрудниками этого института получен ряд первоклассных результатов, посвященных разработке и исследованию высокоточных стандартов частоты оптического диапазона и оптических часов. Основой таких разработок является способность непрерывных фемтосекундных лазеров с синхронизацией мод генерировать широкий спектр эквидистантных частот, интервал между которыми может быть стабилизирован путем фазовой привязки частоты межмодовых биений к частоте внешнего высокостабильного генератора. При этом эквидистантность межмодовых интервалов с погрешностью не хуже 10-16 задается самим процессом самосинхронизации мод. Это, в свою очередь, открывает возможность создания высокостабильной линейки эквидистантных частот с шагом 100 МГц - 1 ГГц, перекрывающей частотный интервал до сотен терагерц.

Проведенные исследования продемонстрировали реальную возможность создания высокостабильного стандарта частоты в оптическом диапазоне на основе использования фемтосекундных лазеров. В настоящее время с помощью высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера уже получена стабильность частоты межмодовых биений 10-14 за 1000 с. Использование фемтосекундных лазеров позволяет значительно упростить связь стандартов частоты оптического и СВЧ-диапазона. Очевидно, что если одновременно стабилизировать межмодовый интервал по частоте радиочастотного стандарта, а одну из синхронизованных мод привязать к частоте оптического стандарта, то можно получить высокоточную шкалу стандартных частот. Именно эта возможность, основанная на переносе частотных характеристик оптического стандарта в радиочастотный диапазон, и лежит в основе создания оптических часов. Во всем мире продолжаются интенсивные исследования, направленные на создание высокостабильных твердотельных лазеров, стабилизируемых по линиям поглощения в газах. Большое внимание уделяется поиску новых опорных линий поглощения, частоты которых совпадают с частотами излучения твердотельных лазеров.

Определенным успехом следует считать стабилизацию Tm:Ho:YAG лазера (l = 2,097 мкм) по линии поглощения молекулы H79Br. Аналогичные работы развиваются и у нас. В частности, прекрасные результаты получены при создании оптического стандарта, основанного на привязке частоты второй гармоники Nd:YAG-лазера к резонансной линии поглощения в 127I2. На основе Nd:YAG/I2-лазера создан стандарт частоты, частотная стабильность которого составляет 5x10-14 в течении нескольких сотен секунд.

В частности, в лазере на He-Ne/CH4 (l = 3,39 мкм) с внутрирезонаторным телескопическим расширителем пучка получена воспроизводимость частоты 1014, что стало возможным благодаря реализации сверхузких резонансов насыщенного поглощения с однородной шириной линии порядка 10 Гц. Еще одна возможность создания оптических реперов связана с использованием запрещенных переходов. В частности, для синтеза и абсолютного измерения частот в оптическом диапазоне заманчивым представляется использование запрещенного перехода в ионе индия на длине волны 236,5 нм, с которой совпадает четвертая гармоника Nd: YAG-лазера.

Исследование возможности повышения чувствительности и разрешающей способности нелинейной лазерной спектроскопии также является актуальной задачей. Решение этой задачи может быть связано с использованием метода усиления оптической бистабильности для регистрации сверхузких резонансов.

Достигнутая точность таких методов открывает экспериментальную возможность проверки постулатов теории относительности. Проведенные исследования позволили разработать принципиальную схему лазерного высокочувствительного детектора гравитационных волн от периодических астрофизических источников - пульсаров и создать измерительный комплекс (комплекс уже прошел полевые испытания) для измерения красного смещения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Твердотельные лазеры - это в основном алюмоитриевый гранат (АИГ), легированный ионами редкоземельных металлов (Nd, Er, Ho и др.). Собственно, эти ионы и являются источником излучения, а гранат лишь матрицей для их правильного расположения в пространстве. Твердотельные лазеры могут быть как импульсными так и непрерывными, работают на среднем уровне мощностей.

Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне.

В последние годы получены принципиально новые результаты, открывающие новую эпоху в области квантовой метрологии. Эти успехи стали возможны, в значительной мере, благодаря прогрессу в области создания высокостабильных лазеров, генерирующих непрерывные последовательности фемтосекундных импульсов. Заметный вклад в эти исследования внесли российские ученые. Использование таких лазеров открывает принципиально новую возможность создания оптических часов, обеспечивает проведение высокоточных измерений абсолютных значений частот в оптическом диапазоне и других прецизионных измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахманов С.А. Итоги науки и техники. Современные проблемы лазерной физики. Т. 4. ВИНИТИ, М., 1991, стр. 5.

2. Багаев С.Н. Квантовая электроника 31, 377 (2001).

3. Крюков П.Г. Квантовая электроника 31, 95 (2001).

4. The Proceedings of the Ninth Annual Intern. Laser Physics Workshop (LPHYS-2000). Laser Physics 11, 165-291 (2000).

5. Pukhov A., Techn. Program IX Conference on Laser Optics (St. Petersburg, 1998, p. 49 ).

6. Вовченко В.И., Красюк И.К., Пашинин П.П. Тезисы докладов на ХХХYII Звенигородской конф. по физике плазмы и УТС, I (Звенигород, 2000, стр. 105).

7. Красюк И.К. УФН 169, 1155 (1999).

8. Федоров В.Б. Тезисы докладов XXYII Звенигородской конф. по физике плазмы и УТС, I (Звенигород, 2000, стр. 138).

9. Ефименко В.В., Ивонина Н.П., Кутовоп С.А. и др.Синтез и исследование монокристаллов редкоземельных скандоборатов со структурой хантита // Тез. докл.
VII Всесоюз. конф. по росту кристаллов. М., 1988. Т. 3.С. 250-251.

10. Кутовой С.А., Лаптев В.В., Лебедев В.А. и др. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства новых лазерных кристаллов -- скандоборатов лантана
с неодимом и хромом. // Журн. прикл. спектроскопии. 1990. Т. 53. № 3. С. 370-374.

11. Лебедев В.А., Писаренко В.Ф., Чуев Ю.М. Комплекс ные исследования редкоземельных скандиевых боратов с хромом и неодимом // Изв. РАН. Сер. физ. 1995.Т. 59. №6. С. 21-29.