Лазеры среднего ИК диапазона на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (Государственный Университет) ФАКУЛЬТЕТ ОБЩЕЙ И ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ КАФЕДРА ПРОБЛЕМЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ Савинова Софья Алексеевна Лазеры среднего ИК диапазона на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS с высокой выходной энергией Магистерская диссертация Научный руководитель: в.н.с., к.ф.-м.н. Фролов М.П. г. Москва 2015 Оглавление Введение .................................................................................................................................... 3 Глава 1. Обзор литературы ....................................................................................................... 6 §1. Основные типы перестраиваемых источников излучения среднего ИК диапазона .............................................................................................................................. 6 §2. Применения кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов ............................................................................................................................... 8 §3. Схема работы лазеров Fe:ZnSe и Fe:ZnS .................................................................. 11 §4. Методы выращивания кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов ........................................................................................................ 15 §5. Лазер на кристалле Fe:ZnSe ....................................................................................... 17 §6. Лазер на кристалле Fe:ZnS......................................................................................... 21 Глава 2. Экспериментальная часть ......................................................................................... 22 §1. Источник накачки Er:YAG – лазер .......................................................................... 22 §2. Активный элемент Fe:ZnSe - лазера ......................................................................... 24 §3. Активный элемент Fe:ZnS - лазера ........................................................................... 26 §4. Описание экспериментальной установки ................................................................ 27 Глава 3. Экспериментальные результаты .............................................................................. 31 §1. Энергетические характеристики Fe:ZnSe - лазера ................................................ 31 §2. Энергетические характеристики Fe:ZnS - лазера ................................................... 34 §3. Спектральные характеристики Fe:ZnS - лазера ..................................................... 36 §4. Сравнение энергетических характеристик лазеров на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS. ................................................................................................................................. 38 Заключение.............................................................................................................................. 40 Список литературы ................................................................................................................. 41 Введение Лазеры, работающие в средней ИК области спектра (2 - 6 мкм), представляют большой научный и практический интерес. В этой области расположены сильные колебательно-вращательные линии поглощения многих молекул, обладающие высокой специфичностью, а также находится одно из окон прозрачности атмосферы (3,3 - 4 мкм). Эти причины делают особенно перспективным использование лазеров среднего ИК диапазона в спектроскопии, для создания лидаров для экологического мониторинга атмосферы на наличие вредных примесей, газоанализаторов для детектирования взрывчатых веществ. Такие лазеры могут применяться для диагностики утечек природного газа и нефти из трубопроводов; в медицине (для лазерной хирургии и для лазерной диагностики). Большой интерес представляет потенциальная возможность создания на основе таких лазеров систем, защищающих воздушные суды от ракет с ИК головками самонаведения. В последние годы возрос интерес к лазерам, длины волн генерации которых лежат в спектральном диапазоне 2 – 6 мкм. Перспективным кандидатами на роль активных элементов таких двухвалентными лазеров ионами являются переходных кристаллы металлов. халькогенидов, Они легированные позволяют создавать высокоэффективные компактные лазеры, работающие в импульсном и непрерывном режимах. Эти кристаллы обладают широкими полосами поглощения и усиления, что упрощает выбор источников накачки и позволяет осуществлять плавную перестройку длины волны генерации лазера в широких спектральных пределах. В матрицах A2B6, легированных ионами Cr2+ и Fe2+, была получена эффективная генерация в широком диапазоне температур с непрерывной перестройкой длины волны в спектральном диапазоне ~ 1000 см−1 для каждого кристалла. Совместно области генерации этих лазеров перекрывают диапазон 1,9 – 6,1 мкм (рис. 1). Кристаллы халькогенидов, легированные ионами Fe2+ интересны тем, что по сравнению с кристаллами, легированными ионами Cr2+, их область люминесценции и диапазон перестройки длины волны генерации сдвинуты в красную область спектра. Рис. 1. Области генерации лазеров на кристаллах халькогенидов, легированных ионами железа и хрома. Из кристаллов халькогенидов, легированных ионами железа, наиболее хорошо исследованным является Fe2+:ZnSe, который обладает лучшими лазерными характеристиками. Длина волны генерации лазера находится в окрестности 4,1 мкм при 85 К. Помимо Fe:ZnSe – лазера, значительный интерес для ряда применений представляет высокоэнергетичный лазер на кристалле Fe:ZnS, поскольку термооптические свойства кристалла Fe:ZnS превосходят свойства других кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов. В таблице 1 представлены свойства некоторых кристаллов, в частности ZnSe и ZnS. У ZnS более высокая теплопроводность по сравнению с другими кристаллами и более слабая зависимость показателя преломления от температуры, что является важным при запуске лазера в импульсно-периодическом режиме. Длина волны генерации Fe:ZnS – лазера при 85 К лежит в окрестности 3,8 мкм. Оба лазера особенно интересны тем, что их области генерации попадают в одно из окон прозрачности атмосферы. В данной работе изучается возможность генерации Fe:ZnSe и Fe:ZnS – лазерами импульсов с высокой выходной энергией (порядка нескольких джоулей) при криогенных температурах и исследуются спектральные и генерационные характеристики кристалла Fe:ZnS. Кристалл Теплопроводность, Вт/(м°С) dn/dT,10-6/ °C YAG 10 10 Sapphire 27 12 ZnS 27 46 ZnSe 18 70 CdSe 4 98 CdTe 7,5 100 Таблица 1. Сравнение свойств кристалла ZnS с другими лазерными средами [1]. Глава 1. Обзор литературы §1. Основные типы перестраиваемых источников излучения среднего ИК диапазона В область 2 - 5 мкм попадает излучение волоконных лазеров, оптических параметрических генераторов света, полупроводниковых лазеров и многих других источников излучения. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. HF и DF-лазеры обладают высокой мощностью, длины волн генерации этих лазеров лежат в диапазонах 2,6 – 3,2 мкм [2] и 3,5 – 4,1 мкм [3] соответственно. Спектры излучения этих лазеров состоят из нескольких десятков отдельных спектральных линий, т.е. лазеры не являются плавно перестраиваемыми, что несколько ограничивает область возможных применений. Также широкому использованию HF и DF-лазеров препятствует токсичность фторсодержащих соединений. Также в средний ИК диапазон попадает излучение лазера на первом колебательном обертоне CO. Спектральный диапазон излучения лазера 2,5 – 4,1 мкм, он перекрывает области генерации HF и DF – лазеров, а плотность его заполнения колебательно- вращательными линиями намного выше. В [4] был достигнут удельный лазерный энергосъем 50 Дж/(л∙Амага) и электрооптический КПД 11%. Параметрические генераторы света (ПГС) позволяют получать излучение в широком спектральном диапазоне и обладают возможностью плавной перестройки длины волны. Преобразование длины волны при прохождении излучения через вещество происходит вследствие нелинейных оптических эффектов. Например, ПГС на кристалле CdSe c накачкой Er:YAG-лазером обеспечивает плавную перестройку длины волны излучения в интервале 2,8 – 4,2 мкм [5]. Основными трудностями получения высокоэффективной генерации в ИК области спектра для ПГС являются невысокий коэффициент параметрического усиления в нелинейных кристаллах и их краевое поглощение в ИК-области. Волоконные лазеры обладают достаточно высокой выходной мощностью, компактны, могут работать в непрерывном и импульсном режиме. В средний ИК диапазон спектра попадает излучение лазеров на ионах Tm3+ (1,85 – 2,1 мкм); Er3+ (2,78 мкм); Но3+ (2,09-2,1 мкм и 2,87-2,95 мкм) и др. Диапазон перестройки до ~ 100 нм ограничивает возможности применения каждого лазера и не позволяет волоконным лазерам перекрыть полностью среднюю ИК область спектра. Кроме того, спектральный диапазон, доступный для данного класса лазеров, ограничен в области длинных волн вследствие существенного поглощения излучения в материале волокна. Для создания волоконных лазеров в средней ИК области спектра используют специальные материалы, например ZBLAN (ZrF4-BaF2LaF3-AlF3-NaF) [6]. Полупроводниковые лазеры среднего ИК-диапазона в настоящее время не подходят для целей серийного производства. Длину волны генерации полупроводниковых лазеров можно перестраивать в достаточно широком спектральном диапазоне (~100см-1), они могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Но мощности излучения этих лазеров небольшие, и они требуют охлаждения до низких температур (~80 К), что ограничивает область их применения. Например, твердотельные лазеры на основе солей свинца генерируют излучение среднего ИК диапазона. Они производят только низкие уровни мощности (обычно порядка 1 мВт), а их КПД очень мал по сравнению с лазерными диодами с более короткими длинами волн. Изменение длины волны излучения в пределах нескольких нанометров возможно с помощью подстройки температуры. Лазеры на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/InAsSbP излучают в области λ = 3−4 мкм [7] при температуре жидкого азота. Например, в [8] мощность многомодовой генерации на длине волны 3,3 мкм составила 1,56 Вт в импульсном режиме и 160 мВт в непрерывном. Также в среднем ИК диапазоне лежат длины волн излучения полупроводниковых дисковых лазеров. Например, в [9] исследовались дисковые лазеры, работающие на модах шепчущей галереи, излучающие на длинах 3 - 4 мкм при температурах 70 - 120 К. Мощность излучения данных лазеров составляла единицы милливатт. Перспективными являются полупроводниковые квантово-каскадные лазеры [10]. Эти лазеры могут перестраиваться по частоте в диапазоне ~ 100 см-1 и могут быть созданы на любую заданную длину волны в весьма широком спектральном интервале. Некоторые из квантово-каскадных лазеров уже не требуют охлаждения, но являются еще весьма дорогими. Кроме того, на их основе трудно реализовать импульсный источник с энергией джоульного уровня с хорошей направленностью лазерного пучка. Недостатком всех вышеперечисленных типов лазеров, помимо необходимости для многих из них охлаждения до низких температур, является сложность изготовления. Кристаллы халькогенидов, легированные ионами переходных металлов, имеют широкие диапазоны перестройки (~1000 см -1) и совместно перекрывают весь средний ИК диапазон. Генерация на этих кристаллах возможна как при азотной температуре, так и при более высоких, вплоть до комнатной. Выходная энергия в импульсе может достигать нескольких джоулей, а КПД по поглощенной энергии близок к 50%. Вышеперечисленные факторы делают эти кристаллы перспективными активными средами для среднего ИК диапазона. §2. Применения кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов Кристаллы халькогенидов, легированные ионами переходных металлов, и лазеры на этих кристаллах применяются в различных областях науки: для модуляции добротности резонатора лазеров среднего ИК диапазона, в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, для генерации фемтосекундных импульсов и т.д. Лазеры с модулированной добротностью резонатора генерируют излучение в виде гигантских импульсов с высокой пиковой мощностью и малой длительностью, применяющееся для решения ряда научных и прикладных задач [11]. Модуляция добротности резонатора лазера осуществляется при помощи активного или пассивного модулятора, расположенного внутри резонатора. Этот модулятор снижает добротность резонатора лазера, внося дополнительные потери излучения в течение некоторого времени. В активных модуляторах выполняется «внешнее» действие по отношению к модулирующему устройству, а в пассивных переключение добротности происходит автоматически из-за оптической нелинейности среды. Кристаллы халькогенидов, легированные ионами переходных металлов, обладают большим сечением поглощения и могут быть использованы как оптические затворы в широком спектральном диапазоне. Например, кристаллы Cr2+:ZnSe были использованы для модуляции добротности лазеров Ho:YAG (2,09 мкм) и Tm:YAG (2,017 мкм) [12], Er:YAG (1,617 мкм) [13], тулиевого волоконного лазера (1,9 мкм) [14]. Кристаллы Co:ZnSe, Co:ZnS были использованы для пассивной модуляции добротности резонатора Cr,Er:YAG лазера (2,79 мкм) [15]. Кристаллы Cr:Cd1-xMnxTe использовались для модуляции добротности резонатора Cr,Tm,Ho:YAG-лазера (2,09 мкм) [16]. Кристалл Fe:ZnSe также использовался для модуляции добротности Er:YAG – лазера (2,94 мкм) с диодной накачкой [17] и с ламповой накачкой [18]. Так, в [18] при использовании такого пассивного затвора были получены гигантские импульсы длительностью 50 нс и энергией 6 мДж. Еще одним применением кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, является внутрирезонаторная лазерная спектроскопия (ВРЛС). Метод ВРЛС основан на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного лазера (т.е. лазера, одновременно генерирующего излучение на многих частотах) к спектральному распределению потерь в резонаторе и позволяет реализовать большую эффективную длину поглощения при компактных размерах поглотителя, помещенного внутри резонатора лазера [19]. Для экспериментальной реализации метода ВРЛС в резонатор широкополосного лазера помещается исследуемое поглощающее вещество. В общем случае ширина полосы усиления такого лазера обусловлена однородным и неоднородным механизмами уширения. Если однородная ширина контура усиления значительно превосходит ширину линии поглощения исследуемого вещества, это позволяет скомпенсировать потери в резонаторе на зеркалах и оптических элементах, поскольку они слабо зависят от длины волны генерации в пределах контура усиления лазера. А потери, обусловленные наличием поглотителя, приводят к возникновению провалов в спектре излучения лазера при развитии генерации, причем их глубина увеличивается со временем длительности импульса генерации. Лазеры на основе кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, позволяют расширить диапазон, доступный для ВРЛС, в длинноволновую область. Например, в работах [20, 21] была реализована ВРЛС с использованием кристалла Cr2+:ZnSe на примере спектра поглощения атмосферного воздуха в диапазоне 2,41-2,46 мкм [21] и на примере CO в окрестности длины волны 2,42 мкм [20]. В [22] был впервые реализован метод ВРЛС для Fe:ZnSe – лазера. В работе были записаны спектры внутрирезонаторного поглощения метана в окрестности длины волны 4,1 мкм. Поскольку кристаллы халькогенидов, легированные ионами переходных металлов, обладают широкими полосами усиления, на их основе возможно создание генераторов ультракоротких импульсов. Например, в [23] был разработан Cr:ZnSe - лазер с синхронизацией мод на основе эффекта Керра, работающий на длине волны 2,42 мкм. В качестве источника накачки использовался волоконный тулиевый лазер, оперирующий на длине волны 1,8 мкм. Были получены импульсы длительностью 95 фс и мощностью 40 мВт. Лазеры на основе кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, можно использовать также для создания стандартов частоты. На практике требуются недорогие, компактные хранители частоты, имеющие необходимую стабильность частоты на времени усреднения 1…105 с. В [24] показано, что на основе Cr:ZnSe – лазера с CH4-ячейкой возможно построение хранителя частоты с относительной нестабильностью на уровне 2∙10-16, который при этом не будет уступать по долговременной стабильности широко используемым сейчас H – мазерам и будет на два порядка превышать кратковременную стабильность частоты. Рис. 2. Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе длиной 1882 м на уровне моря [25]. В среднем ИК диапазоне находятся сильные колебательные линии поглощения многих молекул (CH4, N2O, NO2, NO, HF, H2CO, HCl, SO2, C3H8, С4H10, C2H6, C8H8, CO, CO2, CH3OH, C3H6 и др.), интенсивность которых выше, чем в ближнем ИК и в УФ. Поэтому, помимо уже реализованных применений, лазеры на кристаллах халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, представляется перспективным использовать при создания лидаров для экологического мониторинга атмосферы на наличие вредных примесей; газоанализаторов для детектирования взрывчатых веществ, большинство из которых детектируется по повышенному содержанию азотных соединений [26]. Важным плюсом является также то, что лазерная дистанционная диагностика в среднем ИК диапазоне безопасна для зрения людей, а излучение, попадающее в окна прозрачности атмосферы (см. рис. 2) менее подвержено влиянию погодных условий или рассеянию. Таблица 2. Молекулы – биомаркеры и соответствующие им заболевания [27]. Такие лазеры могут применяться для диагностики утечек природного газа и нефти из трубопроводов, поскольку наиболее оперативно определять утечки можно, измеряя концентрацию углеводородов, сильные линии поглощения которых попадают в средний ИК диапазон, в воздухе вблизи трубопровода [28]. Возможно и использование в хирургии в качестве лазерного скальпеля. В медицинской диагностике представляется перспективным с помощью газоанализаторов на основе лазеров на основе кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, исследовать химический состав выдыхаемого человеком воздуха. Этот метод позволяет определять различные болезни (таб. 2) неинвазивно и на более ранних стадиях, чем позволяют традиционные методы диагностики. Большой интерес представляет потенциальная возможность создания на основе лазеров, излучение которых попадает в окна прозрачности атмосферы, защитных систем, защищающих воздушные суды от ракет с ИК головками самонаведения, которые сегодня являются наиболее эффективным оружием против самолетов. §3. Схема работы лазеров Fe:ZnSe и Fe:ZnS Активный элемент лазеров на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS по типу схемы энергетических уровней относится к активным элементам на электронно-колебательных переходах [11]. Рассмотрим подробно схему работы данного типа лазеров. В лазере возникает генерация, когда усиление излучения в активной среде превышает его потери в резонаторе. Усиление излучения происходит, только если между уровнями энергии 2 и 1 существует инверсная населенность (см. рис. 3). Рис. 3. Схемы энергетических уровней активного элемента лазера: а трехуровневая, б – четырехуровневая (29), в – схема на электронно-колебательных переходах [11]. В трехуровневой схеме (рис. 3(а)) при поглощении излучения накачки частицы переходят из состояния с энергией основного уровня 1 в состояние с энергией, соответствующей уровню 3, а затем быстро переходят в состояние с энергией, соответствующей метастабильному уровню 2. Если собственное время жизни перехода 21 превышает время 3-2, то в результате поглощения излучения накачки между уровнями 2 и 1 может возникнуть инверсная населенность, необходимая для возникновения генерации. Сложность заключается в том, что энергетический уровень 1 является основным, следовательно, в этом состоянии изначально находятся почти все атомы, и для создания инверсной населенности, необходимо с помощью механизмов накачки перевести в возбужденное состояние более половины частиц. Четырехуровневые схемы лишены этого недостатка. В четырехуровневой схеме (рис. 3(б)) для создания инверсной населенности не требуется переводить в возбужденное состояние половину частиц, поскольку уровень 1 не является основным. Он почти не заселен, т.к. атомы быстро возвращаются в исходное состояние 0. Это позволяет использовать меньшие мощности накачки для создания инверсной населенности. Согласно [11], схему энергетических уровней активного элемента лазера на электронно-колебательных переходах в упрощенном виде можно представить в виде трехуровневой схемы, но с основным уровнем, состоящим из многих перекрывающихся между собой колебательных подуровней, образующих широкую полосу (рис. 3(в)). Верхние подуровни далеко отстоят от нижних, и поэтому слабо заселены. Лазерные переходы с метастабильного уровня 2 в верхнюю часть полосы аналогичны переходу 2-1в четырехуровневой схеме. Поскольку промежуточная часть полосы заселена сильнее, то соответствующие переходы с уровня 2 больше соответствуют трехуровневой схеме. Таким образом, схема лазера на электронно-колебательных переходах похожа на трехили четырехуровневую схему в зависимости от распределения частиц по энергиям в колебательной полосе уровня 1. Кристаллы ZnSe и ZnS, легированные ионами железа, принадлежат к кристаллам халькогенидов, легированных ионами переходных металлов. Халькогениды - это бинарные химические соединения халькогенов (элементов 6-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий) с металлами 2-й группы. Согласно [30], в свободном состоянии Fe2+ обладает электронной конфигурацией 3d6 (5D4). По правилу Хунда терм конфигурации 5 D имеет наименьшую энергию. Поскольку терму 5D соответствуют L = 2, S = 2, mL и mS могут принимать значения от –L до L и от –S до S с шагом 1. Соответственно, степень вырождения терма 5D может быть найдена по формуле (2L+1)(2S+1) и равна 25. Селенид цинка ZnSe и сульфид цинка ZnS кристаллизуются, в основном, в двух близких алмазоподобных структурах сфалерита и вюрцита (рис. 4). В нашей работе использовались кристаллы с кубической кристаллической решеткой. Рис. 4. Расположение ионов в кристаллической решетке ZnS. Слева – кубическая (сфалерит), справа – гексагональная модификация (вюрцит) [31]. Далее схема уровней будет рассмотрена для ионов Fe2+ в матрице ZnSe (для ZnS аналогично). При легировании ионы Fe2+ замещают Zn2+ в кристаллической решетке ZnSe. В результате ионы Fe2+ оказываются в окружении четырех ионов Se, что приводит к снятию вырождения терма 5D за счет взаимодействия с тетраэдрическим кристаллическим полем и появлению двух уровней 5T2 и 5E с разными энергиями (рис. 5), между которыми происходит лазерная генерация. Рис. 5. Расщепление терма 5D для Fe2+ в матрице ZnSe. Согласно [32], далее уровни 5T2 и 5E расщепляются за счет спин-орбитального взаимодействия и электронно-колебательного взаимодействия (эффект Яна – Теллера [33]). Рис. 6. Структура энергетических уровней иона Fe2+ при снятии вырождения терма 5 D (1) из-за взаимодействия с кристаллическим полем ZnSe (2), с учетом спин- орбитального взаимодействия первого (3) и второго (4) порядков, а также с учетом электронно-колебательного взаимодействия (5). Рассмотрим подробнее механизмы уширения уровней, связанных со снятием вырождения, которое обусловлено спин-орбитальным взаимодействием и эффектом ЯнаТеллера. В [32] авторы пытаются интерпретировать спектр поглощения разных полупроводников II-VI, легированных ионами железа, используя единую теоретическую модель для всех легируемых кристаллов. Наибольшее по энергии расщепление уровней связано с взаимодействием с кристаллическим полем, приводящим к появлению основного состояния 5 Т2 и возбужденного 5 Е (рис.6(2)). Далее, спин-орбитальное взаимодействие первого порядка приводит к расщеплению уровня 5Т2 на три подуровня (рис.6(3)). Спин-орбитальное взаимодействие дополнительному расщеплению уровня второго порядка 5 Е и трех подуровней 5 приводит к Т2 (рис.6(4)). Затем предлагается рассматривать электронно-колебательное (вибронное) взаимодействие, обусловленное эффектом Яна-Теллера. Под этим эффектом понимается круг явлений, связанных с особенностями систем с вырожденными электронными состояниями. Из-за вырождения симметричные конфигурации оказываются неустойчивыми, возникает сильное электронно-колебательное взаимодействие. После учета колебаний решетки получается распределение по энергиями, изображенное на рис. 6 (5). §4. Методы выращивания кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов Существует несколько способов выращивания кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов. Легирование кристалла ионами может производиться в процессе роста (для этого кристалл выращивается из расплава (метод Бриджмена) или из паровой фазы с использованием физического или химического транспорта). Либо вначале выращивается нелегированный кристалл, а потом производится легирование с помощью термодиффузии. При этом нелегированный кристалл может быть выращен разными методами: из расплава; из растворов; из газовой фазы с использованием химического или физического транспорта. Отличие между физическим и химическим транспортом состоит в том, что для химического транспорта используется водород, который при переносе вступает в реакцию, а для физического используется гелий, который в реакцию не вступает. Например, кристаллы ZnS в [34] и ZnSe в [35] были легированы ионами железа с помощью термодиффузии. Кристаллы Fe:ZnSe в работах [36] и [37] были выращены с использованием метода Бриджмэна. Используемые в нашей работе кристаллы были выращены из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллической затравке с использованием физического транспорта компонент в гелии. Легирование кристаллов ионами Fe2+ осуществлялось непосредственно в процессе роста. Подробно этот метод описан в [38]. Достоинством данного метода является высокая оптическая однородность, малые внутренние потери и большой размер выращенных кристаллов. Рис. 7. Схема выращивания кристаллов халькогенидов, легированных ионами переходных металлов, на примере Cr:ZnSe [38]. Схема выращивания кристаллов Fe:ZnSe и Fe:ZnS аналогична представленной на рисунке 7 для Cr:ZnSe. Рост кристалла Fe:ZnS проводился из раздельных источников, содержащих поликристаллические соединения ZnS и FeS (для Fe:ZnSe соответственно из ZnSe и FeSe). Исходные вещества помещались внутри ампулы в специальные камеры, площади выходных отверстий которых могли варьироваться в разных экспериментах, чтобы изменять степень легирования ионами Fe2+. Перенос вещества осуществлялся при помощи непрерывного протока гелия через ампулу. За счет градиента температуры происходил переход компонент в паровую фазу с последующим осаждением на поверхность выращиваемого образца. Примеры кристаллов Fe:ZnSe и Fe:ZnS, выращенных из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллической затравке с использованием физического транспорта компонент в гелии, приведены на рис. 8 и рис. 9. Рис. 8. Кристаллы Fe:ZnSe, выращенные из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллической затравке. Рис. 9. Кристаллы Fe:ZnS, выращенные из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллической затравке. §5. Лазер на кристалле Fe:ZnSe Генерация на ионе Fe2+ впервые была получена в матрице n-InP на длине волны 3,53 мкм при низкой температуре (2К) [39]. Накачка осуществлялась с помощью лазера на красителе с длиной волны 580 нм, возбуждаемого короткими импульсами N2 – лазера. Генерация на кристалле Fe:ZnSe была впервые получена при низких температурах в диапазоне 15-180 К [36]. Длина волны генерации менялась с ростом температуры от 3,98 мкм при температуре 15 К до 4,54 мкм при 180 К. В качестве источника накачки использовался Er:YAG – лазер, работающий на длине волны 2,698 мкм. При температуре 130 К была достигнута максимальная энергия 12 мкДж. В [40] приводятся спектры поглощения и испускания кристалла Fe:ZnSe при различных температурах в диапазоне 14 - 300 К (рис. 10), а также приводится зависимость времени затухания люминесценции от температуры. Рис. 10. Спектры поглощения кристалла Fe:ZnSe в диапазоне температур 14-300 К из [40]. Лазерная генерация на кристалле Fe:ZnSe при комнатной температуре была впервые получена в [41] с источником накачки, работающем на длине волны 2,92 мкм. При этом выходная энергия достигала ~ 1 мкДж. В этой же работе наблюдалась плавная перестройка длины волны генерации в селективном резонаторе в диапазоне 3,9 - 4,8 мкм с помощью дифракционной решетки 150 штрихов/мм. Эффективная лазерная генерация на кристалле Fe:ZnSe при комнатной температуре получена в [42], дифференциальный КПД по поглощенной энергии составил 13%, а максимальная энергия генерации - 0,37 мДж. В этой же работе было измерено время затухания люминесценции верхнего лазерного уровня при комнатной температуре, которое составило 355±15 нс. В дисперсионном резонаторе была осуществлена перестройка длины волны генерации в диапазоне 3,95 – 5,05 мкм. В [37] при комнатной температуре была получена генерация на кристалле Fe:ZnSe с выходной энергией 0,58 мДж при поглощенной энергии накачки 5,3 мДж; дифференциальный КПД составил 38%. Энергия 1,4 мДж была достигнута в [43], при этом дифференциальный КПД составил 11%. Там же продемонстрирована непрерывная перестройка длины волны излучения Fe:ZnSe-лазера в диапазоне 3,9 - 5,1 мкм при комнатной температуре. В [44] была достигнута выходная энергия 5,8 мДж при поглощенной энергии накачки 18 мДж с дифференциальным КПД 39 %. Во всех вышеперечисленных работах источником накачки являлся Er:YAG-лазер, работающий в режиме пассивной модуляции добротности резонатора. Также лазерные характеристики кристалла Fe:ZnSe исследовались при температуре жидкого азота. Выходная энергия 130 мДж при температуре жидкого азота была получена в [45], при этом дифференциальный КПД по поглощенной энергии составил 40%, что соответствует квантовой эффективности 55%. В этой же работе была реализована перестройка длины волны излучения лазера в диапазоне 3,77 - 4,40 мкм. В [6] сообщается уже о выходной энергии 187 мДж при температуре 85 К. При этом поглощенная энергии накачки составила 470 мДж, а дифференциальный КПД по поглощенной энергии 43%. В обеих работах в качестве источника накачки использовался Er:YAG – лазер, работающий в режиме свободной генерации. О достижении более высокой выходной энергии генерации (0,42 Дж) Fe:ZnSe лазера сообщается в [35]. В качестве источника накачки использовался Er:YAG-лазер с ламповой накачкой (длина волны 2,94 мкм, длительность импульса 250 мкс). При температуре 77 К была достигнута максимальная энергия 0,42 Дж, дифференциальный КПД составил 44%. Длина волны излучения Fe:ZnSe - лазера изменялась от 4,16 мкм при 77K до 4,65 мкм при 220K. При увеличении температуры энергия генерации уменьшалась, максимальная температура, при которой была получена генерация, составила 250 К. Непрерывный режим генерации Fe:ZnSe-лазера при температуре жидкого азота впервые реализован в [46]. В качестве источника накачки использовался Cr2+:CdSe - лазер с длиной волны излучения 2.97 мкм. Была достигнута выходная мощность излучения 160 мВт, дифференциальная эффективность составила 56%. В [34] приводится зависимость времени жизни верхнего лазерного уровня для кристаллов Fe:ZnSe и Fe:ZnS (рис.11) от температуры. Также в этой работе были измерены спектры поглощения и люминесценции для обоих кристаллов при комнатной температуре. Рис. 11. Зависимость времени жизни верхнего лазерного уровня для Fe:ZnS и Fe:ZnSe (согласно [34]). §6. Лазер на кристалле Fe:ZnS По сравнению с кристаллом Fe:ZnSe, лазерные свойства кристалла Fe:ZnS исследованы меньше, в основном, из-за сложности изготовления кристаллов хорошего качества. Лазерная генерация на кристалле Fe:ZnS впервые была продемонстрирована при комнатной температуре [47]. Выходная энергия лазера составила 3,4 мДж при дифференциальной эффективности по поглощенной энергии накачки 32%. В этой же работе была осуществлена плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне 3,49 – 4,65 мкм. Накачка осуществлялась 40-нс импульсами излучения Er:YAG-лазера, работавшего на длине волны 2,94 мкм в режиме модуляции добротности резонатора. Необходимость использования для накачки коротких импульсов была обусловлена малым временем жизни верхнего лазерного уровня при комнатной температуре (~50 нс). Между тем, при охлаждении кристалла Fe2+:ZnS до температуры жидкого азота время жизни возрастает до ~3 мкс (рис. 11), что позволяет использовать для накачки более длинные импульсы. Также проводились исследования по изучению спектральных характеристик кристалла Fe:ZnS. В [48] исследовались спектры поглощения для ионов Fe2+ в матрицах ZnS, CdTe, MgAl2O4 при температурах 3 – 300 К. В [49] были измерены спектры люминесценции для четырех кристаллов Fe:ZnS при 4 и 77 К. Люминесценция наблюдалась в спектральном диапазоне 3,3 – 4,2 мкм. Глава 2. Экспериментальная часть §1. Источник накачки Er:YAG – лазер Из спектров поглощения иона Fe в матрицах ZnSe и ZnS (рис.10, 15, 16) видно, что максимум полосы поглощения во всем диапазоне температур расположен вблизи длины волны 3 мкм. Поэтому для накачки обоих лазеров использовались импульсы излучения Er:YAG-лазера с 50% концентрацией ионов Er3+, работающего в режиме свободной генерации на длине волны 2,936 мкм. Схема уровней Er:YAG – лазера представлена на рисунке 12. Рис. 12. Схема уровней Er:YAG – лазера (50). При возбуждении кристалла Er:YAG с помощью импульсной лампы частицы переходят с нижнего уровня 4I15/2 на верхние уровни. Генерация происходит между уровнями I11/2 и I13/2. Это становится возможным благодаря процессам переноса энергии, которые опустошают верхние уровни (ап-конверсия с уровня 4I11/2: (4I11/2 → 4I15/2) + (4I11/2 → 4F7/2 ) и кросс-релаксация, в которой участвует уровень 4S3/2: (S3/2 → 4I9/2) + (4I15/2 → 4 I13/2). Особенностью лазерного перехода I11/2 → I13/2 является также то, что время жизни нижнего уровня (около 2 мс) больше, чем время жизни верхнего уровня (около 0,1 мс). При больших концентрациях ионов Er3+ (10-50 %) в кристалле имеет место сильное ионионное взаимодействие, и возникает ап-конверсия с уровня 4I13/2: (4I13/2 → 4I15/2) + (4I13/2 → 4 I9/2), которая в итоге приводит к повторному переносу энергии с нижнего уровня на верхний. Активный элемент лазера представлял собой цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 120 мм. Возбуждение ионов Er3+ осуществлялось с помощью газоразрядных импульсных ламп, подключенных к батарее конденсаторов емкостью 600 мкФ, заряжаемой до 3 кВ. Инициирование разряда осуществлялось при подаче на лампы короткого импульса высокого напряжения. Резонатор Er:YAG лазера был образован двумя зеркалами – глухим сферическим (R=500 мм) и плоским выходным с коэффициентом отражения 60%. Длина резонатора составляла 28 см. Для измерения выходной энергии использовался предварительно откалиброванный калориметр ВЧД-2. На рис. 13 представлена зависимость выходной энергии Er:YAG – лазера от энергии, запасенной в конденсаторах. Максимальная выходная энергия Er:YAG – лазера составляла 16 Дж. Дифференциальный КПД, рассчитанный по начальным точкам, составлял 0,7 %. 18 16 Выходная энергия, Дж 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Энергия, запасенная в конденсаторах, кДж Рис. 13. Зависимость выходной энергии Er:YAG - лазера от энергии, запасенной в конденсаторах. На рис. 14 представлены осциллограммы импульса лампы и импульса генерации Er:YAG лазера. В режиме свободной генерации импульс Er:YAG-лазера представлял из себя совокупность хаотичных пичков с длительностью 0,3-1 мкс, что является характерным для импульсных многомодовых твердотельных лазеров. Общая длительность импульса составляла 950 мкс. Рис. 14. Осциллограммы: а) импульс лампы; б) импульс излучения Er:YAG – лазера. §2. Активный элемент Fe:ZnSe - лазера Активный элемент Fe:ZnSe – лазера представлял собой параллелепипед с поперечными размерами 9,7 × 10,1 мм и длиной 7,7 мм. Торцы кристаллы были отполированы и не имели просветляющих покрытий. Угол клина между торцевыми поверхностями не превышал 20''. Чтобы уменьшить сброс инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся в поперечном к оптической оси резонатора направлении, боковые поверхности кристалла были заматированы и покрыты аквадагом. С помощью Фурье-спектрометра был измерен спектр поглощения кристалла Fe:ZnSe, используемого в работе, при комнатной температуре (рис. 15). Спектры кристалла Fe:ZnSe в широком диапазоне температур приведены на рис. 10. 0,7 0,6 Пропускание 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Длина волны, мкм Рис. 15. Спектр поглощения кристалла Fe:ZnSe, используемого в работе, при комнатной температуре. Из спектра поглощения можно найти значение концентрации ионов железа в кристалле, используя формулу концентрация, ( )/ 0 , где ( ) - сечение поглощения, n - - отношение интенсивности света, прошедшего через кристалл, к интенсивности света до кристалла, L – толщина кристалла. В работе [36] приводится значение сечения поглощения = 6,5 × 10−19 см2 при комнатной температуре на длине волны 2,698 мкм. Рассчитанное по формуле значение концентрации составляет 2,5×1018 см−3. На рис. 11 приведена зависимость времени жизни верхнего лазерного уровня от температуры. Время жизни верхнего лазерного уровня 5T2 иона Fe в матрице ZnSe при температуре жидкого азота (77 К) составляет 65 мкс, что намного больше, чем время жизни при комнатной температуре (~370 нс), так как скорость безызлучательной релаксации увеличивается с ростом температуры. В результате эффективность лазера оказывается выше при охлаждении. §3. Активный элемент Fe:ZnS - лазера Активный элемент Fe:ZnS – лазера представлял из себя кристалл толщиной 17 мм и диаметром 20 мм с плоскопараллельными непросветленными торцами, выращенный из паровой фазы методом свободного одновременным легированием. роста на монокристаллической затравке с Для минимизации съема энергии в поперечном направлении усиленным спонтанным излучением боковые поверхности активных элементов были заматированы и зачернены аквадагом. На рис. 16 приведены спектры поглощения для кристалла Fe:ZnS при 80 и 300 К, измеренные с помощью Фурье-спектрометра. 1,20 1,00 Пропускание 0,80 0,60 300 K 80 K 0,40 0,20 0,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Длина волны, мкм Рис. 16. Спектр поглощения кристалла Fe:ZnS, используемого в работе, при комнатной температуре и при температуре жидкого азота. На рис. 17 изображен спектр усиления для кристалла Fe:ZnS при температуре жидкого азота, рассчитанный по спектру люминесценции из работы [49]. Используя уравнения из [51], можно записать формулу для сечения усиления: 5 I em , 8cn 2 rad I d где λ – длина волны, I(λ) – спектр усиления, n = 2,255 – коэффициент преломления ZnS, τrad - радиационное время жизни перехода T2→ 5 E. Радиационное время жизни 5 оценивалось как 62 мкс, поскольку время жизни затухания люминесценции составляет 6,2 мкс при 14 К [52], а квантовая эффективность – 10% [53]. Из спектра видно, что возможный диапазон перестройки длины волны лазера при температуре жидкого азота составляет 3,3 – 4,2 мкм. 1,6 Сечение усиления, 10-18 см2 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 Длина волны, мкм Рис. 17. Спектр усиления кристалла Fe:ZnS при температуре жидкого азота. Время жизни верхнего лазерного уровня 5T2 иона Fe в матрице ZnS уменьшается от ~ 2 мкс при температуре жидкого азота (77 К) до ~ 50 нс при комнатной температуре (рис. 11). §4. Описание экспериментальной установки Оба кристалла Fe:ZnSe и Fe:ZnS исследовались в одной и той же схеме. На рис. 18 представлена фотография установки, а на рис. 19 – оптическая схема. Активные элементы размещались внутри криостата на медном хладопроводе, охлаждаемом жидким азотом. Окошки криостата были выполнены из плоскопараллельных пластинок CaF2 без просветляющих покрытий. Пластинки и торцы кристалла были перпендикулярны оптической оси резонатора. Откачка внутренней камеры криостата осуществлялась с помощью форвакуумного насоса, создающего давление ~10-2 мм рт.ст. Рис. 18. Внешний вид установки. Слева – лазер накачки Er:YAG, справа – Fe:ZnS – лазер (активный элемент находится в криостате). Рис. 19. Схема установки. Эксперимент проводился в широком диапазоне температур. Температура кристалла измерялась с помощью предварительно проградуированной термопары медь-константан. Кристалл был закреплен так, что его грань была плотно прижата к поверхности хладопровода. Вблизи этой поверхности внутри хладопровода было сделано отверстие для одного из спаев термопары, второй спай находился при комнатной температуре. Измерения при температурах выше азотной проводились по мере естественного нагревания криостата, для стабилизации температуры во внутренний стакан криостата помещался массивный металлический цилиндр, а также добавлялись небольшие порции жидкого азота. Резонатор Fe:ZnS и Fe:ZnSe – лазеров был образован «глухим» сферическим зеркалом З1 (R=100 см) и плоским выходным зеркалом З2, спектр пропускания котрого представлен на рис. 20. Пропускание зеркала изменялось от 70% при 3,4 до 74% при 4,2 мкм. Длина резонатора составляла 35 см. Энергия Er:YAG – лазера варьировалась за счет изменения напряжения на батарее конденсаторов. С помощью сферического зеркала (R=100 см) пучок накачки фокусировался на кристалл под углом 3˚ к оптической оси резонатора. В пятне диаметром 6 мм на поверхности кристалла содержалось 95 % энергии импульса накачки. Рис. 20. Спектр пропускания выходного зеркала. Особенность в диапазоне 4,2-4,3 мкм обусловлена поглощением атмосферного CO2. Энергия накачки, прошедшая через кристалл, и выходная энергия лазера измерялись с помощью измерителей энергии OPHIR NOVA II с высокочувствительной головкой 3A-FS. Регистрация формы импульсов излучения лазера накачки и импульсов генерации осуществлялась с помощью фотодетекторов ФД (охлаждаемые жидким азотом фотосопротивления ФСГ-22А), сигналы с которых подавались на осциллограф. Рис.21. Оптическая схема дифракционного монохроматора. 1 – входная щель; 2, 6 – плоские зеркала; 3,5 – вогнутые зеркала; 4 – дифракционная решетка; 7 – выходная щель При проведении эксперимента по измерению диапазона перестройки длины волны Fe:ZnS – лазера в резонатор вблизи глухого зеркала устанавливалась дисперсионная брюстеровская призма из CaF2 с преломляющим углом 70.3˚. Перестройка спектра достигалась за счет поворота заднего зеркала резонатора вокруг вертикальной оси. Для измерения спектральных характеристик был собран дифракционный монохроматор, работающий в автоколлимационной схеме с зеркальным объективом и дифракционной решеткой 300 штрихов/мм. Схема монохроматора представлена на рис. 21. За выходной щелью располагался измеритель энергии OPHIR NOVA II. Сканирование по длинам волн осуществлялось с помощью поворота дифракционной решетки и одновременной регистрацией энергии, попадающей в калориметр. Используя формулу дифракционной решетки значение , можно рассчитать минимальное возможное в нашем эксперименте , которое равно 0,07 мкм. Глава 3. Экспериментальные результаты §1. Энергетические характеристики Fe:ZnSe - лазера На рис.22 представлена зависимость энергии импульса излучения Fe:ZnSe-лазера от поглощенной энергии импульса Er:YAG-лазера при температурах 85 К, 225 К и 245 К. Достижение генерации при температурах 225 К и 245 К представляет особый интерес, поскольку эти температуры могут быть достигнуты с помощью двух- и однокаскадного модулей Пельтье соответственно. Через экспериментальные точки с помощью метода наибольших квадратов были проведены прямые, по которым определялся дифференциальный кпд лазера и величина пороговой поглощенной энергии накачки. 2,2 2 Выходная энергия лазера, Дж 1,8 1,6 85 К 225 К 245 К 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 Рис.22. 2 4 6 Поглощенная энергия накачки, Дж Зависимость выходной энергии генерации Fe:ZnSe – лазера от поглощенной в кристалле энергии накачки. Нами также были исследованы энергетические характеристики Fe:ZnSe – лазера при комнатной температуре (рис. 23). Максимальная выходная энергия при 300 К составила 42 мДж, а дифференциальный КПД, рассчитанный по конечным точкам, 2,8 %. Рис. 23. Зависимость энергии импульса Fe:ZnSe – лазера от поглощенной энергии импульса накачки при комнатной температуре. Энергетические характеристики Fe:ZnSe – лазера при температурах 85 К, 225 К, 245 К и 300 К для наглядности представлена в таблице 3. Максимальное значение выходной энергии лазера (2,1 Дж) было получено при температуре жидкого азота, поскольку при этой температуре время жизни верхнего лазерного уровня максимально (см. рис. 11). Т, К Максимальная Поглощенная Дифференциальный энергия, Дж энергия накачки КПД по поглощенной при макс. энергии, энергии накачки, % Дж 85 2,1 5,3 51 225 1,5 5,0 32 245 1,3 5,2 29 300 0,042 4,9 2,8 Таблица 3. Энергетические характеристики Fe:ZnSe – лазера в диапазоне температур 85-300 К. Результаты вышеописанных экспериментов были опубликованы в работе [54]. После этого были предприняты действия по достижению более высоких значений выходной энергии лазера. Ранее максимальное значение входящей в кристалл энергии накачки было ограничено прочностью кристалла и зеркал резонатора, а загиб в графике на рис. 22, по всей видимости, объяснялся съемом энергии в поперечном направлении. Для устранения этих недостатков мы увеличили поперечные размеры активной области, что позволило увеличить энергию накачки, и заматировали и зачернили боковые поверхности кристалла, что позволило уменьшить влияние эффекта сброса инверсии усиленным спонтанным излучением в поперечном направлении. Эти действия позволили нам повысить максимальную энергию в импульсе до 4,9 Дж, т. е. почти в 2,5 раза, при этом КПД лазера по поглощенной энергии составил 53 %. Максимальная энергия при Т = 85 К была ограничена лишь значением энергии накачки. Порог генерации составил 140 мДж. Результаты представлены на рис. 24, для сравнения на этом же графике приведена зависимость, полученная нами ранее. Рис. 24. Зависимость энергии импульса Fe:ZnSe – лазера от поглощенной энергии импульса Er:YAG – лазера при 85 К, полученная в настоящей работе (квадраты) и ранее (треугольники). На рис. 25 представлены типичные формы импульсов генерации Fe:ZnSe – лазера и лазера накачки Er:YAG. Импульс генерации, как и импульс накачки, состоял из пичков с характерной длительностью 0,3 – 1 мкс. При записи осциллограмм энергия генерации Fe:ZnSe-лазера составляла 2,8 Дж, а поглощенная энергия накачки - 6,7 Дж. Генерация Накачка 0 200 400 600 800 1000 Время, мкс Рис. 25. Импульс излучения Fe:ZnSe – лазера и импульс накачки. §2. Энергетические характеристики Fe:ZnS - лазера 3,5 3 Выходная энергия, Дж 2,5 80 К 107 К 2 132 К 1,5 150 К 1 170 К 175 К 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Поглощенная энергия накачки, Дж Рис. 26. Зависимость выходной энергии Fe:ZnS – лазера от поглощенной энергии накачки в диапазоне температур 80 – 175 К. Генерация Fe:ZnS – лазера при температуре жидкого азота впервые была получена нами в [55]. При этом максимальное значение выходной энергии составило 1,7 Дж при поглощенной энергии накачки 4,3 Дж, а дифференциальный КПД по поглощенной энергии составил 45%. Используя методы, описанные в предыдущем параграфе для Fe:ZnSe – лазера, нам удалось улучшить энергетические характеристики лазера. На рис. 26 показана зависимость выходной энергии лазера от поглощенной в кристалле энергии накачки для широкого диапазона температур. Максимальное значение выходной энергии достигало 3,3 Дж при температуре жидкого азота, при этом поглощенная энергия накачки составляла 9 Дж, а дифференциальный КПД лазера составил 44%. В таблице 4 представлены аналогичные результаты для более высоких температур. Т, К Максимальная Поглощенная Дифференциальный Порог, энергия, Дж энергия накачки КПД по поглощенной Дж при макс. энергии, энергии накачки, % Дж 80 3,3 9 44 0,96 107 2,2 6,9 38 1,01 132 1,3 7,2 24 1,87 150 0,7 7,1 16 2,88 170 0,25 7,0 8 4,54 175 0,12 7,6 5 5,27 Таблица 4. Генерационные характеристики кристалла Fe:ZnS при температурах 80 – 175 К. Из таблицы видно, что с ростом температуры уменьшается дифференциальный КПД и возрастает пороговое значение энергии накачки, при котором начинается генерация Fe:ZnS – лазера. Это изменение связано с уменьшением времени жизни верхнего лазерного уровня с ростом температуры (рис. 11). При температурах выше 175 К лазерная генерация пропадала, т.к. при этой температуре время жизни верхнего лазерного уровня уменьшается до 0,4 мкс (см. рис. 11), что близко к минимальной длительности пичков, из которых состоит импульс накачки, а значит, для получения генерации нужны импульсы накачки с более высокой мощностью. Из осциллограмм импульса излучения Fe:ZnS – лазера при 175 К (рис.27) видно, что при больших энергиях накачки генерация происходит только на переднем фронте импульса накачки. Исчезновение генерации при продолжающемся импульсе накачки объясняется динамическим нагревом кристалла, из-за которого в процессе накачки еще больше уменьшается время жизни. Рис. 27. Осциллограммы импульса излучения Fe:ZnS – лазера при 175 К. Вверху – импульс накачки, внизу – импульс генерации. На левом рисунке поглощенная энергия накачки составляла 5.3 Дж, выходная энергия генерации 12 мДж, на правом – 6.3 Дж и 31 мДж соответственно. §3. Спектральные характеристики Fe:ZnS - лазера При азотной температуре был реализован диапазон перестройки длины волны излучения Fe:ZnS – лазера 3,4 – 4,2 мкм (рис.28). 1,6 1,4 Энергия, Дж 1,2 1 зеркало1 0,8 зеркало 2 0,6 0,4 0,2 0 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4 Длина волны, мкм Рис. 28. Перестроечные кривые Fe:ZnS – лазера. 4,1 4,2 4,3 Сначала перестройка была проведена с плоским выходным зеркалом 1 с коэффициентом пропускания ~ 72%. Использование более плотного зеркала 2, пропускание которого уменьшалось с ростом длины волны с 70% (3,5 мкм) до 20% (4,2 мкм), позволило отодвинуть длинноволновую границу диапазона перестройки до 4.2 мкм. Спектры пропускания используемых зеркал представлены на рис. 29. Перестройка проводилась при фиксированной поглощенной энергии накачки 7,8 Дж, при этом максимальная выходная энергия Fe:ZnS – лазера составила 1,4 Дж, что немного меньше, чем выходная энергия генерации в неселективном резонаторе при том же значении поглощенной энергии накачки – 1,6 Дж. 1 зеркало 1 зеркало 2 Пропускание, % 0,8 0,6 0,4 0,2 0 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1 4,2 Длина волны, мкм Рис. 29. Спектры пропускания зеркал, используемых при исследовании диапазона перестройки длины волны излучения Fe:ZnS – лазера. Была также исследована зависимость длины волны генерации Fe:ZnS – лазера в неселективном резонаторе от температуры (рис. 30). Из рисунка видно, что спектр генерации лазера с ростом температуры смещался в сторону длинных волн (от 3,62 мкм при температуре жидкого азота до 3,77 мкм при 186 К). Для наглядности на рисунок добавлена также точка, соответствующая длине волны генерации Fe:ZnS – лазера при комнатной температуре. Длина волны, мкм 3,90 3,85 3,80 3,75 3,70 3,65 3,60 3,55 50 100 150 200 Температура, К 250 300 Рис. 30. Зависимость длины волны генерации Fe:ZnS – лазера от температуры в неселективном резонаторе. Значение длины волны генерации лазера при комнатной температуре взято из [47]. §4. Сравнение энергетических характеристик лазеров на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS. На рис. 31 представлены зависимости выходной энергии от поглощенной энергии накачки для обоих лазеров при температуре жидкого азота. У обоих лазеров наблюдается линейная зависимость при поглощенной энергии накачки до 7 Дж. Отклонение от линейности при более высоких энергиях импульса накачки связано, по нашему мнению, с возникновением лазерной генерации в поперечном направлении. Разница между значениями пороговой энергии накачки для Fe:ZnSe и Fe:ZnS – лазеров (0,13 Дж и 0,95 Дж соответственно) определяется разницей во временах жизни верхнего лазерного уровня (60 мкс и 2 мкс соответственно) (см. рис. 11). Несмотря на то, что генерационные характеристики Fe:ZnS - лазера немного хуже, чем у Fe:ZnSe – лазера, возможно, он окажется более удобным для некоторых практических применений, поскольку обладает большей теплопроводностью. 5 Выходная энергия, Дж Fe:ZnS КПД =45% Fe:ZnSe КПД =53% 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Поглощенная энергия накачки, Дж 10 11 Рис. 31. Выходные характеристики лазеров на кристаллах Fe:ZnSe и Fe:ZnS при температуре 85 К. Заключение Представленная работа является исследованием лазерных свойств кристаллов Fe:ZnSe и Fe:ZnS, выращенных из паровой фазы на монокристаллической затравке с одновременным легированием. Для обоих кристаллов были продемонстрированы рекордные на настоящий момент значения выходной энергии, что делает их перспективными для создания промышленных высокоэнергетичных лазеров, плавно перестраивающихся по длине волны вблизи 4 мкм. Была получена генерация лазеров на кристаллах ZnSe и ZnS, легированных ионами железа Fe2+, при охлаждении жидким азотом. Максимальная энергия Fe:ZnSe – лазера составила 4,9 Дж, дифференциальный КПД по поглощенной энергии – 53%. Аналогичные результаты для Fe:ZnS – лазера составляют 3,2 Дж и 45%. Также были исследованы спектральные характеристики лазера на кристалле Fe:ZnS. При азотной температуре был получен диапазон перестройки 3,4 – 4,2 мкм. Исследовалась также температурная перестройка длины волны излучения лазера: длина волны изменялась от 3,62 мкм при 80 К до 3,77 мкм при 186 К. Работа по исследованию лазерных свойств кристалла Fe:ZnS выполнена при поддержке гранта программы «У.М.Н.И.К.». Выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю Фролову М.П. за предоставленную тему работы, за переданный опыт и умелое руководство. Благодарю также Подмарькова Ю.П. за помощь в работе. Список литературы 1. Sorokina, Irina T. Cr2+-doped II–VI materials for lasers and nonlinear optics. Optical Materials, 26, 2004. 2. Абдуллин Э.Н., Ефремов А.М., Ковальчук Б.М., Орловский В.М., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Феденев А.В.. Мощный HF лазер с накачкой нецепной химической реакцией, инициируемой пучком электронов. Письма в ЖТФ, том 23, № 5, 1997. 3. Великанов С.Д., Елугин A.C., Кудряшов E.A., Пегоев И.Н., Синьков С.Н., Фролов Ю.Н. Применение DF-лазера для анализа углеводородов в атмосфере. Квантовая электроника, т. 24, №3, с.279-282, 1997. 4. Басов Н. Г., Ионин А. А., Котков А. А., Курносов А. К., Маккорд Д. Е., Напартович А. П., Селезнев Л. В., Туркин Н. Г., Хагер Г. Д.. Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО, действующий в спектральном диапазоне 2,5 — 4,2 мкм. 1. Многочастотный режим генерации . Квантовая электроника, том 30, №9, 2000. 5. Васильев Б.И., Маннун У.М.. ИК лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окрущающей среды. Квантовая электроника, 36, №9. 2006 r. 6. Воронов А.А. Генерационные и спектрально-кинетические характеристики лазера на кристалле Fe2+:ZnSe. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук. Долгопрудный:Московский физико-технический институт (государственный университет), 2009. 7. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Beyer T., Brunner R.. Спектральные характеристики лазеров на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/InAsSbP (λ = 3,0 ÷ 3,6 мкм). Физика и техника полупроводников, том 34, вып. 4, 2000. 8. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н. Мощные лазеры (λ = 3,3мкм) на основе двойных гетероструктур InGaAsSb(Gd) / InAsSbP. Физика и техника полупроводников, том 35, вып. 10, 2001. 9. Шерстнев В.В., Монахов А.М., Астахова А.П., Кислякова А.Ю., Яковлев Ю.П., Аверкиев Н.С., Krier A., Hill G.. Полупроводниковые WGM-лазеры среднего инфракрасного диапазона. Физика и техника полупроводников, том 39, вып. 9, 2005. 10. Koeth J., Fischer M., Legge M., Seufert J., Werner R. Quantum well-, quantum dot-, and quantum cascade lasers with DFB-gratings. Photonik International, 2006. 11. Звелто. О. Принципы лазеров. Москва:Мир, 1984. 12. Tsai T.-Y., Birnbaum M. Q-switched 2-mkm lasers by use of a Cr2+:ZnSe saturable absorber. Applied Optics, V. 40, № 36, 6633-6637, 2001. 13. Stultz R.D., Leyva V., Spariosu K.. Short pulse, high-repetition rate, passively Q-switched Er:yttrium-aluminum-garnet laser at 1,6 mikrons. Applied Physics Letters, 87, 241118, 2005. 14. Qamar F.Z., King T.A.. Passive Q-switching of the Tm-silica fibre laser near 2 mkm by a Cr2+:ZnSe saturable absorber crystal. Optics Communications 248, pp.501-508, 2005. 15. Kisel V.E., Shcherbitskii V.G., Kuleshov N.V., Postnova L.I., Levchenko V.I.. Saturable absorbers for passive Q-switching of erbium lasers emitting in the region of 3 mkm . Journal of Applied Spectroscopy, 72, № 6, 818-823, 2005. 16. Podlipensky A.V., Shcherbitsky V.G., Demchuk M.I., Kuleshov N.V., Levchenko V.I., Yakimovich V.N., Girard S., Moncorge R.. Cr2+:Cd0,55Mn0,45Te crystal as a new saturable absorber for 2 mkm lasers. Optics Communications, 192, 2001. 17. Воронов А.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Полушкин В.Г., Рагимов Т.И., Скасырский Я.К., Филипчук М.Ю., Фролов М.П. Пассивная модуляция добротности резонатора Er:YAG лазера с диодной накачкой с помощью затвора на основе кристалла Fe:ZnSe. Краткие сообщения по физике ФИАН, т.37, №6, 9-15, 2010. 18. Воронов А.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Полушкин В.Г., Фролов М.П.. Пассивный затвор на основе монокристалла Fe:ZnSe для модуляции добротности лазеров трехмикронного диапазона. Квантовая электроника, 36, №1, 2006. 19. Baev V.M., Latz T., Toschek P.E.. Laser intracavity absorption spectroscopy. Applied Physics B, 69, 171-202, 1999. 20. Акимов В.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Спектральная динамика внутрирезонаторного поглощения в импульсном Cr2+:ZnSe-лазере . Квановая электроника, 35, № 5, 425-428, 2005. 21. Акимов В.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Cr2+:ZnSe-лазера. Квантовая электроника, 34, № 2, 185-188, 2004. 22. Акимов В.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Fe2+:ZnSe-лазера. Квантовая электроника, т.37, №11, 1071-1075, 2007. 23. Cizmeciyan M. Natali, Cankaya Huseyin, Kurt Adnan, and Sennaroglu Alphan. Kerrlens mode-locked femtosecond Cr2+:ZnSe laser at 2420 nm. Optics letters, Vol. 34, No. 20, 2009. 24. Губин М.А., Киреев А.Н., Пнев А.Б., Тюриков Д.А., Шелестов Д.А., Шелковников А.С., Лазарев В.А. Оптический стандарт частоты на основе Cr2+: ZnSe-лазера. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, сер. «Приборостроение», 2012. 25. Межерис, Р. Лазерное дистанционное зондирование. Москва:Мир, 1987. 26. Скворцов, Л. А. Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхностях удаленных объектов. Квантовая электроника, 42, №1. 2012. 27. Серебряков В.А.. Опорный конспект лекций по курсу "Лазерные технологии в медицине". СПб:СПбГУ ИТМО, 2009. 28. Великанов С. Д., Елутин А. С., Кудряшов Е. А., Пегоев И. Н., Синьков С. Н., Фролов Ю. Н.. Применение DF-лазера для анализа углеводородов в атмосфере. Квантовая электроника, Vol. 24, N 3, 1997. 29. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. Москва:Рикел, 1994. 30. Ельяшевич М.А.. Атомная и молекулярная спектроскопия: Атомная спектроскопия. Изд. 3-е. Москва:КомКнига, 2006. 31. Гуртов В. А., Осауленко Р. Н. Физика твердого тела для инженеров: Учеб. пособие, Москва, 2007. 32. Mualin O., Vogel E. E., de Oru´e M. A., Martinelli L., Bevilacqua G., Schulz H.J. Twomode Jahn-Teller effect in the absorption spectra of Fe2+ in II-VI and III-V semiconductors. Physical Review B, volume 65, 035211, 2001. 33. Jahn H.A., Teller E. Stability of polyatomic molecules in degenerate electronic states. I. Orbital degeneracy. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 161, №905, 1937. 34. Mirov S., Fedorov V., Moskalev I., Mirov M., Martyshkin D. Frontiers of mid-infrared lasers based on transition metal doped II–VI semiconductors. Journal of Luminescence, 133, 2013. 35. Fedorov V.V., Martyshkin D.V., Mirov M., Moskalev I., Vasyliev S., Mirov S.B. High Energy 4,1-4,6 m Fe:ZnSe laser. CLEO Technical Digest, 2012. 36. Adams J.J., Bibeau C., Page R.H., Krol D.M., Furu L.H., Payne S.A. 4,0-4,5 mkm lasing of Fe:ZnSe below 180 K, a new mid-infrared laser material. Optics Letters, 24, №23, 1720-1722, 1999. 37. Doroshenko M. E., Basiev T.T., Koranda P., Jelınkova H., Nemec M., Cech M., Sulc J., Komar V. K., Gerasimenko A. S., Badikov V. V., Badikov D. V. Bulk Fe:ZnSe Laser Gainswitched by the Q-switched Er:YAG Laser. Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices, edited by W. Andrew Clarkson, Norman Hodgson, Ramesh K. Shori Proc. of SPIE, Vol. 7193, 71931K, 2009. 38. Kozlovsky V.I., Akimov V.A., Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Landman A.I., Marovitsky V.P., Mislavskii V.V., Podmar’kov Yu.P., Skasyrsky Ya.K., Voronov A.A. Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II-VI compound crystals grown from vapor phase. Phys. Status Solidi, B 247, No.6, 2010. 39. Klein P.B., Furneaux J.E., Henry R.L. Laser oscillation at 3,53 mkm from Fe2+ in nInP:Fe. Appl.Phys.Lett., 42, 8, 1983. 40. Adams J.J. New crystalline materials for nonlinear frequency conversion, electro-optic modulation, and mid-infrared gain media, Lawrence Livermore National Laboratory, PhD Theses , 2002. 41. Kernal J., Fedorov V.V., Gallian A., Mirov S.B., Badikov V.V. 3,9-4,8 mkm gainswitched lasing of Fe:ZnSe at room temperature. Optics Express, 13, №26, pp.10608-10615, 2005. 42. Акимов В.А., Воронов А.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Эффективная лазерная генерация кристалла Fe2+:ZnSe при комнатной температуре. Квантовая электроника, т. 36, №4, 299-301, 2006. 43. Kozlovsky V.I., Akimov V.A., Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Landman A.I., Podmar’kov Yu.P., Voronov A.A. Room-temperature operation of a Fe2+:ZnSe laser. Laser Optics 2006: Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion,Vol. 6610, 661009, 2007. 44. Kozlovsky V.I., Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Landman A.I., Mislavskii V.V., Podmar’kov Yu.P., Skasyrsky Ya.K., Voronov A.A. Laser radiation tunable within the range of 4,35–5,45 m in a ZnTe crystal doped with 2+ ions. Journal of Russian Laser Research, Volume 32, Number 6, 2011. 45. Акимов В.А., Воронов А.А. Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Эффективнй ИК лазер на кристалле ZnSe:Fe с плавной перестройкой в спектральном диапазоне 3,77-4,40 мкм. Квантовая электроника 34, №10, 2004. 46. Воронов А.А. Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Скасырский Я.К., Фролов М.П. Fe:ZnSe лазер, работающий в непрерывном режиме. Квантовая электроника 38, №12, 2008. 47. Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Миславский В.В., Подмарьков Ю.П., Скасырский Я.К., Фролов М.П. Импульсный Fe2+:ZnS-лазер с плавной перестройкой длины волны в области 3,49-4,65 мкм. Квантовая электроника, т. 41, 1, 2011. 48. Slack G.A., Ham F.S. and Chrenko R.M.. Optical Absorption of Tetrahedral Fe2+ in Cubic ZnS, CdTe, and MgAl2O4. Physical Review, Volume 152, Number 1, 1966. 49. O’Meara, Slack G.A. Infrared Luminiscence of Fe2+ in ZnS. Physical Review, Volume 163, Number 2, 1967. 50. Geogescu S., Toma O. Er:YAG Three-Micron Laser: Perfomances and Limits. IEEE J. Quantum Electron V. 11, №3, 2005. 51. Pane S.A., Chase L.L., Newkirk H.W., Smith L.K. and Krupke W.F. LiCaAlF6:Cr3+: A promising new solid-state laser material. IEEE J. Quantum Electron, 24 2243-52, 1988. 52. Myoung N., Fedorov V., Mirov S. and Wenger L. Temperature and concentration quenching of mid-IR photoluminescence in iron doped ZnSe and ZnS laser crystals. Journal of Luminescence 132 600-06, 2012. 53. Podlowski L., Heitz R., Thurian P., Hoffmann A. and Broser I. Nonradiative transition rates of Fe2+ in III-V and II-VI semiconductors. Journal of Luminescence 58 252-56, 1994. 54. Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.I., Mislavskii V.V., Podmar’kov Yu.P., Savinova S.A. and Skasyrsky Ya.K. Study of a 2-J pulsed Fe:ZnSe 4-m laser. Laser Phys. Lett. 10, 2013. 55. В.И.Козловский, Ю.В.Коростелин, В.В.Миславский, Ю.П.Подмарьков, С.А.Савинова, А.А.Сигарев, Я.К.Скасырский, М.П.Фролов. Исследование лазерных характеристик кристалла Fe2+:ZnS при низких температурах. Труды 56-й научной конференции МФТИ, общая и прикладная физика. Москва:МФТИ, 2013.
