eng
История создания лазеров помнит трудности продвижения устройства источника когерентных волн из радио- в оптический диапазон. Для их преодоления требовался переход на совершенно новые технологии, необходимо было организовать поиск новых материалов, обладающих подходящими для генерации схемами энергетических уровней. Среди множества генерирующих материалов лишь очень немногие реально используются в лазерных приборах. Остальные, обладая очень низкими энергетическими характеристиками, пригодны только для демонстрации лазерного эффекта. Обзор выполнен по материалам работ, проведенных в Научном центре лазерных материалов и технологий (НЦЛМиТ) ИОФ РАН.
Теги: lasers photo-and thermostable crystals solid-state lasers generation spectrum лазеры спектры генерации твердотельных лазеров фото- и термоустойчивые кристаллы
ПРЕДЫСТОРИЯ
В середине июня 1961 года один из авторов статьи был вызван в кабинет заместителя директора ФИАН чл.-корр. АНСССР Н.Г.Басова. Николай Геннадиевич поручил организовать в составе ФИАН новый отдел – отдел монокристаллов с задачей поиска и получения кристаллов для лазеров. Этот новый термин появился в словаре совсем недавно: годом ранее была опубликована статья Т.Х.Меймана в Nature (июнь 1960), в которой описывался оптический квантовый генератор на рубине. После недели раздумий и сомнений Н.Г.Басову было дано согласие, и уже 30 июня вышел приказ об организации в ФИАНе отдела монокристаллов. С тех пор и по настоящее время это подразделение неоднократно меняло свое название и статус, сохраняя, однако, в качестве основного научного направления получение и исследование лазерных материалов, а позже и создание самих лазеров.
Таким образом, НЦЛМТ является практически ровесником лазеров.
Прежде чем перейти к описанию проблем лазерной физики и лазерных технологий, успешно решенных в НЦЛМТ за истекшие десятилетия, напомним кратко предысторию и первые шаги лазеров.
В 1964 году американским ученым Чарльзом Таунсом и отечественными учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была получена Нобелевская премия по физике "За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на мазерно-лазерном принципе". Ими были сформулированы необходимые и достаточные условия генерации вынужденного когерентного излучения и осуществлена их практическая реализация. Такими условиями являются наличие активной среды, метод её создания и наличие положительной обратной связи для превращения усилителя в генератор. Некоторые соображения о возможности создания усилителя и источников когерентного излучения высказывались и ранее. Так, общепринято считать, что понятие вынужденного излучения было постулировано А. Эйнштейном в районе 1916 года. Мы не ставили своей задачей оспаривать это утверждение, однако заметим, что точнее будет сказать об обобщении им уже существовавшего понятия для квантовомеханической системы.
А.Эйнштейном было постулировано, что переходы из более высокого энергетического состояния в более низкое могут осуществляться не только спонтанно, т.е. самопроизвольно, но и вынужденно под воздействием пришедшего извне другого кванта, имеющего энергию, равную энергии перехода. В результате с места события уходят уже два кванта излучения – вынуждающий и вынужденный. Важно, что оба они распространяются в направлении, в котором распространялось индуцирующее излучение, и при этом они оказываются идентичными, т.е. имеют одинаковую энергию, длину волны излучения и поляризацию. Позже Ш. Бозе и А. Эйнштейн (1924 год), а затем П. А. М. Дирак (1927 год) разработали теоретические представления о процессах излучения и поглощения света. В результате были строго обоснованы существование индуцированного излучения и полная тождественность (неразличимость) квантов этого излучения, включая фазу электромагнитных волн (так называемая когерентность излучения).
Таким образом, представление об индуцированном излучении является одним из краеугольных камней квантовой электроники и физики лазеров.
В 1939 году в Физическом институте им. П. Н. Лебедева была защищена докторская диссертация В.А.Фабрикантом, полный текст которой опубликован в Трудах Всесоюзного электротехнического института [1].
В 1951 году им же был получен патент № 123209 "Метод усиления электромагнитного излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радиоспектральных областях". Экспериментально был получен эффект усиления [2].
На принципиальную возможность создания молекулярного генератора было указано в работе [3]. Работа поступила в редакцию 19 января 1954 года. В мае 1954 года в редакцию Phys. Rew. поступила статья [4], опубликованная в июле 1954 года, в которой сообщалось о создании мазера – молекулярного генератора на молекулах NH3.
Совершенно естественно, что после триумфального завершения работ по мазерам возник вопрос о продвижении в сторону видимого участка спектра электромагнитных колебаний, т. е. о создании лазеров – источников когерентного излучения оптического диапазона. Описывая историю создания лазера, часто отмечают, что основными трудностями продвижения из радио- в оптический диапазон является резкое возрастание вероятности спонтанных переходов, в связи с чем появляются трудности в достижении инверсной населенности и невозможность реализовать известными методами положительную обратную связь.
В [5] (поступила в редакцию 01 ноября 1954 года) Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была опубликована идея создания инверсной населенности не путем селекции возбужденных и невозбужденных молекул в молекулярных пучках, а за счет воздействия на молекулы внешнего электромагнитного излучения резонансной частоты. Этот метод, получивший в последствии название метода трех уровней, позволяет достигать инверсной населенности в любых многоуровневых системах, независимо от величины энергии кванта [5]. Позднее аналогичная идея была высказана Н. Бломбергеном [6]. Метод трех уровней лежит сейчас в основе работы всех лазеров с так называемой оптической накачкой. Столь же успешно было преодолено и второе из препятствий – отсутствие подходящих резонаторов для оптического диапазона. Проблема состояла в том, что объемные резонаторы, широко использовавшиеся в радиофизике, не могли быть применены в оптике по той причине, что размеры объемного резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны генерируемого излучения. Как известно, длины волн оптического диапазона составляют величины порядка 1 микрометра, что делало в то время применение объемных резонаторов абсолютно бессмысленным. В 1958 году А. М. Прохоров предложил использовать в качестве резонатора пару плоских параллельных пластин – зеркал, так называемый открытый резонатор [7].
Такая пара зеркал использовалась ранее в оптике в качестве весьма распространенного инструмента, так называемого интерферометра Фабри–Перо, но совершенно для других целей. Несколькими месяцами позднее идея открытого резонатора была высказана в [8] Л. Л. Шавловым и Ч. Таунсом. Создание открытого резонатора снимало последнее ограничение для продвижения в оптическую область спектра и, по существу, завершило собой построение фундамента лазерной физики. Тем не менее, лазеры оптического диапазона появились лишь несколько лет спустя. Первый лазер на кристаллах рубина, как уже отмечалось, был создан в США (1960 год), [9].
Дело в том, что для прорыва в область оптического диапазона, кроме всего перечисленного выше, необходимо было выполнение еще одного условия: требовался переход на совершенно новые технологии, которых не существовало тогда ни в СССР, ни в других странах, включая и США.
Необходимо было организовать поиск новых материалов, причем во всех мыслимых агрегатных состояниях: твердом (кристаллы и стекла), жидком, газообразном и в состоянии плазмы, обладающих подходящими для генерации схемами энергетических уровней; требовалось разработать методы получения этих материалов. При этом предъявлялись очень высокие требования к химической чистоте и структурной однородности материалов, значительно более высокие, чем существовали раньше. Кроме того, необходимо было разработать и внедрить в практику методы прецизионной механической обработки новых материалов, например разработать методы полировки оптических поверхностей с небывало высоким классом точности, строгой параллельностью и высокой плоскостностью. Нужно было создать новые источники излучения для оптической накачки, новые методы напыления прецизионных зеркал. За этими звеньями технологии тянулись другие: создание нового технологического оборудования, особо чистых реактивов, методик и приборов для контроля физических параметров материалов и много других совершенно необходимых "мелочей", из которых складываются так называемые высокие технологии. По существу, необходимо было создать разветвленную исследовательскую и промышленную инфраструктуру, без которой создание лазеров и их продвижение в практику были бы невозможны.
В рекордно короткие сроки, в пределах одного десятилетия, в СССР была создана сеть новых институтов, конструкторских бюро и производств, подготовлены кадры специалистов-лазерщиков и специалистов смежных направлений. В результате за короткий срок СССР превратился, наряду с США, в одну из двух лазерных сверхдержав.
За прошедшие 50 лет история лазеров обогатилась многими замечательными свершениями. Созданы новые типы лазеров, обоснованы и разработаны многие направления их практического использования в медицине, технологии обработки материалов, обработке и передаче информации, приборостроении, экологии и во многих других областях.
Сегодня лазеры составляют основу фотоники – современной области технологии, генерации и преобразования света и других электромагнитных излучений, квантами которых являются фотоны. Развитие этой области приобрело в последние годы взрывной характер и составляет предмет соревнования между наиболее развитыми странами мира.
Поскольку первый лазер был построен на кристалле рубина, наше внимание сосредоточилось на диэлектрических кристаллах и стеклах, содержащих в качестве активных примесей ионы редкоземельных и переходных элементов. Кроме того, стало очевидным, что эти лазерные материалы обладают целым рядом фундаментальных достоинств и преимуществ. Среди них:
высокие концентрации активных частиц, достигающие величины 1023 см-3;
для кристаллов характерна правильная упорядоченная упаковка ионов (атомов, молекул), что приводит к структурному и энергетическому вырождению и, как следствие, к узким резонансам и большим пиковым значениям сечений поглощения и излучения фотонов, а также к высоким значениям нелинейно- оптических коэффициентов;
большое разнообразие составов и структур кристаллов и стекол, в частности, огромное разнообразие сочетаний различных кристаллических и стеклообразных основ и активных примесей.
Первые годы работу отдела монокристаллов курировал Н. Г. Басов. Однако вскоре Н.Г. и его сотрудники переключились на полупроводниковые лазеры. С другой стороны, диэлектрические лазерные кристаллы по-прежнему интересовали А. М. Прохорова. Постепенно отдел монокристаллов стал все более смещаться в сферу научных интересов лаборатории колебаний ФИАН, руководителем которой и был А. М. В 1968 году отдел был преобразован в подразделение лаборатории колебаний и с тех пор оставался под руководством А. М. Прохорова, последовательно преобразуясь в лабораторию, отдел и, наконец, в Научный центр лазерных материалов и технологий, в статусе которого пребывает и в настоящее время.
С самого начала существования тематика Центра строилась по полному циклу: поиск и получение лазерных кристаллов и стекол, исследование их спектральных и спектрально-кинетических свойств, получение и исследование генерации. Такая организация работ позволяла включить обратную связь и по результатам исследований вносить коррективы в технологию лазерных материалов, сокращая, таким образом время, необходимое для достижения желаемого результата. Комплексный характер работ в Центре являлся и является его фирменным знаком.
Спектры генерации твердотельных лазеров. Спектрально позиционированные лазеры
Первые успехи пришли после получения кристаллов флюорита и его фторидных аналогов с примесью трех- и двухвалентных редкоземельных ионов. Уже к 1965 году была получена генерация на CaF2–Sm2+, CaF2–Tm2+ и СaF2–Nd3+. Особое значение в то время приобрели лазеры на CaF2–Dy2+–Сe3+. В течение некоторого времени лазеры на этих кристаллах, излучающие на волне 2,36 мкм, были самыми мощными непрерывными лазерами. Их мощность достигала 200 Вт. Интересно, что технологию этих кристаллов никто в мире воспроизвести так и не смог [10].
Еще до наших работ было обнаружено, что редкоземельные ионы образуют в кристаллах флюорита как минимум два типа центров, отличающихся спектрами поглощения и люминесценции [11].
Объяснение этого явления состояло в том, что РЗ ионы могут размещаться в различных по симметрии кристаллических полях, что приводит к различному по величине расщеплению энергетических уровней. Теоретическое рассмотрение, проведенное в [12, 13], показало, что в кристаллах флюорита могут образовываться несколько типов структурно-вырожденных оптических центров, относительная концентрация которых зависит от концентрации редкоземельных ионов и температуры термодинамического равновесия. При этом в кристаллах одновременно сосуществуют оптические центры кубической, тетрагональной, ромбической (а в некоторых случаях и тригональной) симметрии. В результате, в силу различий в величине кристаллического расщепления штарковских уровней, спектры поглощения и спонтанного излучения таких кристаллов представляют собой суперпозицию спектров всех перечисленных оптических центров. При спектроскопических исследованиях лазерных кристаллов флюорита с редкоземельными ионами эти выводы были подтверждены. Более того, оказалось, что это явление характерно для всех типов кристаллов со структурно вырожденными оптическими центрами: для вольфраматов и молибдатов, гранатов, ниобатов, галогенидов и др. (рис.1). В [14] это явление было названо неоднородным расщеплением (по аналогии с термином неоднородное уширение). Генерационные эксперименты кристаллов с неоднородно расщепленными спектрами показали, что в спектрах генерации могут наблюдаться частоты, характерные для центров различной структуры, причем как по отдельности, так и одновременно, что уже на том этапе давало возможность варьировать в некоторых пределах длины волн генерации, внося изменения в технологию кристаллов или условия возбуждения генерации. Для количественной оценки концентраций центров той или иной структуры были разработаны специальные экспериментальные методы, такие как метод концентрационных серий и метод балансных уравнений [15, 16]. Следует отметить, что перечисленные результаты явились предтечей так называемой site spectroscopy – направления в спектроскопии кристаллов, активно развиваемом в мире с начала 80-х годов прошлого века.
Развивая представления о неоднородном расщеплении оптических спектров кристаллов с редкоземельными ионами, мы вышли на предельный случай, – случай структурно разупорядоченных кристаллов. Первым из таких кристаллов был иттрофлюорит с неодимом. Иттрофлюорит – твердый раствор YF3 в CaF2. Этот кристалл структурно разупорядочен. В нем снимается структурное вырождение отдельных типов центров и, входя в его состав, редкоземельные ионы попадают в бесконечно разнообразные кристаллические поля. Как результат, спектры редкоземельных ионов оказываются неоднородно уширенными и представляют собой набор широких полос, очень похожих на спектры лазерных стекол [18]. Надо заметить, что уже в этих работах было обращено внимание на то, что лазерные кристаллы с разупорядоченной структурой могут быть очень удобны для полупроводниковой накачки. Эта идея сейчас очень активно разрабатывается.
В течение нескольких десятилетий, прошедших с момента создания первого лазера, арсенал твердотельных лазеров пополнился несколькими сотнями самых различных кристаллов и стекол с редкоземельными и переходными элементами в качестве активных примесей.
Спектры генерации этих лазерных материалов расположены в видимой, ИК- (в основном) и ближней УФ-областях спектра. Среди этого множества генерирующих материалов лишь очень немногие реально используются в лазерных приборах. Остальные, обладая очень низкими энергетическими характеристиками, пригодны только для демонстрации лазерного эффекта. В табл. 1 приведены кристаллы, на которых создаются достаточно эффективные твердотельные лазеры. В этот список следует добавить еще несколько разновидностей силикатных и фосфатных стекол с неодимом и эрбием. В таблице приведены также длины волн генерации, набор которых, как видим, весьма скуден. Между тем, существует много важных задач, требующих для своего решения использования лазеров со строго определенными длинами волн генерации. Напомним некоторые из этих задач.
В спектре атмосферы имеются так называемые "окна" пропускания – спектральные области, в которых атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения. Одно из таких окон расположено, как известно, в видимой части спектра, благодаря чему возможна жизнь на Земле. Есть такие окна и в ИК- области спектра, например, вблизи 2 мкм и в диапазоне 4–5 мкм. Последняя из областей интересна тем, что как раз в ней расположены колебательные спектры многих молекул, в том числе и тех, содержание которых в атмосфере нам хотелось бы определять и контролировать. Среди них молекулы галоидоводородов, окиси углерода, окиси азота и др. Дистанционный контроль концентрации этих молекул в атмосфере может быть осуществлен путем их возбуждения спектрально − селективными источниками излучения. Для этого нужны лазеры, излучающие на строго заданных длинах волн, соответствующих спектрам поглощения каждой из молекул, т.е. нужны спектрально позиционированные лазерные источники.
Другой пример. В табл.2 приведены значения длин волн наиболее сильных линий поглощения и флюоресценции атомов некоторых металлов. Это − так называемые "аналитические" спектральные линии, по которым с помощью спектральных методов анализа определяются очень малые концентрации этих металлов. Для дистанционного определения малых концентраций металлов в атмосфере, в воде или в почвах, например в целях экологического контроля, также необходимы спектрально позиционированные источники, но излучающие уже в ближней ультрафиолетовой части спектра.
Список проблем, для решения которых необходимы спектрально позиционированные источники излучения, весьма обширен. Помимо экологии, наземной связи с летающими и космическими объектами, такие источники нужны для оптико-волоконных систем связи, для нужд медицины и для некоторых других целей (например, для создания так называемой натриевой звезды [19]).
Следует подчеркнуть, что ширина линий в спектрах поглощения атомов, ионов и молекул составляет 10-1–10-2 см-1, т. е. линии очень узки. Также узки и спектры излучения большинства лазеров. Они составляют характерные величины 0,1–1 см-1. Поэтому "настроить" лазерный источник на требуемую линию поглощения – не простая задача.
Проблема создания лазерных источников со строго спектрально позиционированным излучением для дистанционного воздействия на атомные и молекулярные системы, обладающие узкими спектральными резонансами, решается двумя путями:
использованием лазеров с перестраиваемой частотой генерации, т.е. использованием принципа настройки излучателя на частоты резонанса атомов или молекул;
путем преобразования излучения существующих лазеров в более коротковолновую или в более длинноволновую части спектра таким образом, чтобы спектр преобразованного излучения соответствовал требуемой длине волны. Причем, преобразовываться могут как излучение монохроматических лазеров, так и излучение перестраиваемых лазеров. Перестраивание длины волны излучения осуществляется с помощью кристаллов, обладающих сильно выраженными нелинейно-оптическими свойствами. При этом используются такие физические явления, как преобразование гармоник за счет фазового синхронизма, параметрическая генерация света (ПГС) и вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР-преобразование).
Кристаллы для перестраиваемых лазеров
В табл.3 приведены наиболее эффективные кристаллы для перестраиваемых лазеров. Здесь представлены кристаллы двух типов. В одном из них лазерно-активные центры образованы собственными точечными дефектами, так называемыми центрами окраски. Во втором – примесными ионами переходных элементов Cr2+, Cr3+, Cr4+, Ti3+, Co2+, Ce3+. В обоих случаях спектры люминесценции кристаллов представляют собой широкие (ширины полос люминесценции достигают 1000 см-1) бесструктурные или слабо структурированные полосы, в пределах контуров которых и может осуществляться перестройка генерации.
Среди перечисленных кристаллов с центрами окраски (ЦО) выдающееся значение приобрели кристаллы LiF. Этот кристалл имеет кубическую структуру и не гигроскопичен. Он обладает высокой теплопроводностью, превышающей теплопроводность иттрий–алюминиевого граната. Кроме того, он имеет низкое значение нелинейного показателя преломления (n2). Благодаря этим свойствам LiF имеет высокий порог лазерного разрушения – 3,6 Гвт/см2 (при длине волны 1,06 мкм и длительности импульсов 10 нс) и может использоваться в лазерных системах с высокой пиковой мощностью. К недостаткам LiF относятся сравнительно невысокие механические характеристики.
На рис.2 приведены структуры основных видов ЦО в LiF: F, F2 , F2+ и F2- . Основой структуры ЦО являются вакансии анионов, которые обладают эффективным положительным зарядом и вследствие этого – способностью локализовать на себе электроны. Кроме того, вакансии фтора склонны при некоторых условиях к агрегации в пары и более сложные ассоциаты. Наиболее "лазерно-активными" центрами являются F2 (парная вакансия, захватившая 2 электрона); F2+ (пара с одним электроном) и F2- (пара с тремя электронами).
В последние годы созданы технологии, позволяющие получать фото- и термоустойчивые кристаллы LiF c ЦО. Кристаллы имеют высокие оптические плотности (коэффициенты поглощения достигают нескольких обратных сантиметров в максимумах полос поглощения ЦО) и высокий контраст, т.е. отношение полезного поглощения ЦО к фоновому, достигающий 20–40. Описанные в [20, 21] кристаллы LiF: F2+ не обнаруживают деградации при оптической накачке в области 620–750 нм при плотностях до ∼5 дж/см2. "Время жизни" этих кристаллов составляет 10 лет при температуре 300К. КПД генерации таких элементов достигает 50% (по оптической накачке).
На pис.3 представлены спектры поглощения и люминесценции основных ЦО в кристаллах LiF. Как видно из рисунка, используя один и тот же кристалл с различными ЦО, можно перекрыть относительно широкую спектральную область. На основе кристаллов LiF с центрами окраски создана серия широкополосных спектрометров видимого и ближнего ИК-диапазона типа МАЛСАН, которые успешно работают во многих лабораториях мира.
ВКР-преобразование спектров лазерного излучения
За последние 30 лет большое развитие получило использование явления вынужденного комбинационного рассеяния света для преобразования спектров лазерного излучения [22–24].
Работы последних лет показали, что в ВКР- излучение может быть переведено до 50–80% падающего на среду лазерного излучения. Такие высокие эффективности переводят использование ВКР в практическую плоскость: с помощью этого явления можно создавать эффективные спектральные преобразователи для лазерных излучателей. Кристаллические ВКР-преобразователи имеют существенное преимущество перед газообразными и жидкими. Высокие плотности вещества обеспечивают наиболее компактное взаимодействие возбуждающего света с ВКР-активным веществом и высокий коэффициент усиления, а упорядоченность структуры усиливает коллективный эффект взаимодействия с лазерным излучением, снижает порог эффекта и приводит к росту коэффициента усиления и эффективности ВКР-преобразования.
В связи с растущим интересом к ВКР-активным кристаллам возникла необходимость их широкого поиска и сравнительного анализа. За последние годы обследованы многие десятки кристаллических соединений. Основные параметры комбинационного рассеяния оценивались по результатам исследования спонтанного комбинационного рассеяния, которое может проводиться как на монокристаллах, так и на поликристаллических образцах [25]. Среди КР-активных кристаллических соединений есть такие вещества, как алмаз, простые оксиды. Однако наиболее многочисленную группу кристаллов образуют сложные соединения с комплексными кислородсодержащими анионами. ВКР-активные колебания в этих соединениях обусловлены центрально–симметричными ("дыхательными") движениями ионов кислорода относительно центрального иона в квазимолекулярных группах [CO3], [NO3], [PO4], [ClO3], [WO4], [NbO6], [IO3], [BrO3], [SiO4], [NbO4], а также ионов водорода в группах [NH4].
В табл.4 сведены основные из обследованных в НЦЛМТ соединений и соответствующие им параметры КР. Измерены относительные интегральные и пиковые интенсивности и частоты КР, которые характеризуют величину частотного сдвига падающего излучения. Отметим большой разброс частот колебаний (от 250 до 1700 см-1) для материалов различного состава. Эти данные свидетельствуют, что имея набор из большого числа ВКР- кристаллов, можно осуществить дискретную перестройку частоты излучения лазера, сдвиг её в длинноволновую область спектра на величины, указанные в табл.4. Далее, из перечисленных кристаллов наиболее высокими значениями интегрального сечения рассеяния (600–900 см-1) обладают алмаз, а также соединения вольфраматов, молибдатов, ниобатов и иодатов. С другой стороны, порог и коэффициент усиления ВКР при накачке короткими нано- и пикосекундными импульсами определяются пиковыми значениями сечения рассеяния. По этому параметру выделяются (наряду с алмазом) кристаллы нитратов, вольфраматов и молибдатов. Дальнейший анализ показал, что наиболее предпочтительны кристаллы, обладающие одновременно высокими интегральными сечениями КР и малыми ширинами линий. В [25] показано, что значительный интерес представляют в этом отношении кристаллы вольфраматов и молибдатов щелочноземельных элементов. Учитывая, что уширение линий КР связано с взаимодействием высокочастотных ВКР- активных колебаний с решеточными фононными модами, необходимо снизить частоты этих мод, выбирая кристаллы с наиболее тяжелыми ионами в пределах гомологического ряда. Так, например, широко известный кристалл группы шеелита CaWO4 имеет ширину КР-линии Δν = 6,95 см-1. Замена ионов Ca2+ на ионы Sr2+ и Ba2+ позволила резко замедлить процессы релаксации и сузить линию КР до 1,63 см-1 (BaWO4). Увеличение ионного радиуса в ряду Ca2+, Sr2+, Ba2+ и параметров кристаллической решетки приводит также к росту частоты полносимметричных колебаний группы [WO4]. Оба эти фактора приводят к значительному повышению пикового сечения рассеяния и коэффициента ВКР-усиления. Аналогичные закономерности обнаружены и в гомологическом ряду щелочноземельных молибдатов (табл. 5). Впоследствии прогнозы, сделанные на основе исследования спонтанного КР, подтверждены прямыми методами измерения ВКР-усиления и ВКР-генерации. На рис. 4 приведены результаты по генерации последовательного ряда ВКР-компонент (вплоть до четвертой) на кристалле BaWO4 [26].
Сравнительный анализ возможностей спектрального преобразования лазерного излучения с помощью всех перечисленных выше способов приводит к следующим выводам:
В отличие от ВКР-преобразования, генерация гармоник обеспечивает сдвиг в коротковолновую часть спектра, причем для всех кристаллов смещение кратно частоте основной гармоники. Это означает, что преобразование гармоник не может обеспечить спектрального разнообразия, свойственного ВКР- преобразованию. Тем не менее, сдвиг в сторону синей и ближней УФ-части спектра сам по себе весьма актуален, так как эта часть спектра бедна лазерными частотами.
ВКР-преобразование по сравнению с ПГС обладает:
более высокой квантовой эффективностью;
более высокой стабильностью энергетических параметров;
высокой пространственной однородностью излучения; отсутствием наведенного двулучепреломления.
Сочетание лазеров с фиксированной частотой, а также перестраиваемых лазеров с ВКР- и другими нелинейно- оптическими преобразователями позволяет максимально плотно перекрыть ближнюю УФ-, видимую и ближнюю ИК- области спектра и предоставляют богатый набор лазерных длин волн для создания спектрально – позиционированных источников излучения с требуемыми параметрами.
Твердотельные лазеры среднего ИК- диапазона длин волн
Уже в 1974 году были созданы лазеры на иттрий- эрбий-алюминиевом гранате, генерирующие на длине волны 2,94 мкм [27]. Однако дальнейшее продвижение в средний ИК-диапазон на некоторое время затормозилось. Причина этого крылась в фундаментальных процессах преобразования энергии электронных возбуждений в твердых основах с редкоземельными примесями. Дело в том, что при уменьшении энергии электронных переходов в редкоземельных ионах повышается вероятность многофононной безызлучательной релаксации: в результате взаимодействия электронных переходов одновременно с несколькими фононами кристаллической решетки переход в нижнее состояние оказывается потушенным. Природа и закономерности безызлучательной релаксации изучаются в течение нескольких десятилетий. В [28] впервые сформулирован закон энергетического зазора, устанавливающий логарифмическую связь вероятности тушения с величиной энергетического зазора. Давно также стало очевидным, что тушение за счет многофононной релаксации уменьшается при переходе к основам с широким "окном" пропускания электромагнитного излучения, что является свидетельством малых энергий фононов. Однако на практике дело оказалось значительно сложнее. Было установлено, что в кристаллических основах с равными максимальными энергиями фононов вероятность тушения может различаться на несколько порядков величины [29]. В [30, 31] разработана нелинейная теория многофононной релаксации, которая показала, что вероятность многофононной релаксации сложным образом зависит от многих факторов: от величины энергии перехода, от энергии эффективного продольного оптического фонона, от величины матричного элемента межмультиплетного перехода, от радиуса катиона кристаллической решетки. Экспериментальные результаты оказались в согласии с выводами теории. Основываясь на полученных результатах, были выбраны наиболее перспективные кристаллические основы и активные РЗЭ-ионы и синтезированы соответствующие лазерные кристаллы. Были синтезированы и исследованы кристаллы различных фторидов, хлоридов, сульфидов и селенидов – элементов первой, второй и третьей групп Периодической системы с примесями неодима, празеодима, диспрозия, эрбия. Наиболее значительные результаты были получены на кристаллах сложных халькогенидов, среди которых отметим кристаллы тиогаллата свинца с примесью диспрозия – PbGa2S4-Dy3+ и PbGa2S4-Dy3+–Na1+. Генерация была получена на двух переходах иона Dy2+ 6H11/2→6H13/2 и 6Н9/2→6Н11/2, т.е. по каскадной схеме. Накачка осуществлялась лазером ИАГ – Nd3+ при длине волны генерации 1,38мкм. При этом использовалась продольная схема накачки. На рис.5 приведена схема уровней иона Dy3+ в PbGa2S4. Измерение времен жизни уровней 6Н9/2, 6Н11/2 и 6H13/2 показали, что они равны 160 мкс, 2 мc и 5,6 мс соответственно, что означает, что лазерные переходы 6H11/2→6H13/2 и 6Н9/2→6Н11/2 являются самоограниченными. Генерация развивается сначала на переходе 6H11/2→6H13/2, а затем – при повышении энергии накачки – и на переходе 6Н9/2→6Н11/2. На рис. 6 приведены спектры люминесценции и спектры генерации. Видно, что достигается одновременная генерация на шести линиях (3 – в области 4,3–4,7 мкм и 3 – в области 5,2–5,5мкм). Длительность импульсов генерации достигает 1,5 мс. Энергия импульсов 15 мДж при дифференциальном КПД – 4%. [32, 33].
Поиски новых материалов для лазеров среднего ИК-диапазона интенсивно продолжаются в настоящее время. При этом синтезируются и исследуются как кристаллические, так и стеклообразные материалы.
Таким образом, многолетние усилия НЦ ЛМТ позволили существенно расширить "палитру" длин волн генерации твердотельных лазеров.
Литература
Фабрикант В.А. – Труды Всесоюзного электротехнического института, 1940, т. 41, стр. 236.
Фабрикант В.А. – ЖЭТФ, 1961, т. 41. № 2 (8) с. 524 – 527.
Басов Н.Г., Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1954, т. 27, вып. 4 (10), с. 431.
Gordon J.P., Zeiger H.J. and Townes C.H. – Phys. Rew., 1954, v. 95, p. 282.
Басов Н.Г., Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1955, т. 28, вып. 2, с. 249.
Бломберген Н. – Phys. Rew., 1956, v. 104. p. 324.
Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1958, т. 34, вып. 6, с. 1658.
Шавлов Л.Л. и Таунс Ч. – Phys. Rew., 1958, v. 112, № 6, p. 1940–1949.
Мейман Т. – Nature, 1960, 06 august, 187, 493 –494.
Батыгов С.Х., Микаэлян Р.Г., Осико В.В., Фурсиков М.М., Удовенчик В.Т. – Неорг. материалы, 1967, т. 3, № 5, с. 760.
Степанов И.В., Феофилов П.П. – Доклады Академии наук СССР, 1956, т. 108, с. 615.
Осико В.В. – В кн.: Рост кристаллов. – М.: Наука, 1965, вып. 5, с.373.
Осико В.В. – ФТТ, 1965, т. 7, № 5, с. 1294.
Воронько Ю.К., Осико В.В. – Неорг. Материалы. (Письма в редакцию), 1967, т. 3, № 2, с. 413.
Voron’ko Yu.K., Osiko V.V., Sobol A.A. – In: Crystals. Growth, Properties, and Applications/ Ed. by HC Freyhardt. –Berlin: Heidelberg, New York, Tokyo. Springer Verlag, 1984, v.10, p. 37.
Осико В.В., Щербаков И.А. – ФТТ, 1971, т. 13, с. 983.
Воронько Ю.К., Осико В.В., Прохоров А.М., Щербаков И.А. – Труды Физического института АНСССР, 1972, т. 60, с. 3.
Воронько Ю.К., Каминский А.А., Осико В.В., Прохоров А.М. – Неорг. материалы, 1966, т. 2, № 7, с. 1161.
Басиев Т.Т., Жариков Е.В., Осико В.В. – В кню:Базовые лекции по электронике/Под ред. В.М. Пролейко – М.: Техносфера, 2009, с. 357.
Basiev T.T., Mirov S.B., Osiko V.V. – IEEE Journ. Of Quantum Electronics, 1988, v. 24, №6, p.1052.
Басиев Т.Т., Воронько Ю.К., Миров С.Б., Осико В.В., Прохоров А.М. – Известия АНСССР, Сер. физич., 1982, т. 46, № 8, с. 1600.
Басиев Т.Т. – Успехи физических наук, 1999, т. 169, с. 1149.
Basiev T.T., Zharikov E.V., Osiko V.V. – Crystallography Rep., 2002, v. 47, suppl.1, p.15.
Basiev T.T.,Osiko V.V., Prokhorov A.M., Dianov E.M. – Top. Appl. Phys., 2003, v. 89, p. 35.
Басиев Т.Т., Осико В.В. – Успехи химии, 2006, т. 75, № 10, с. 939.
Basiev T.T., Basieva M.N., Doroshenko M.E., Fedorov V.V., Osiko V.V., Mirov S.V. – Laser Phys. Letter, 2006, v. 3, p. 17.
Жариков Е.В., Жеков В.И., Кулевский Л.А., Мурина Т.М., Осико В.В., Прохоров А.М., Савельев А.Д., Смирнов В.В., Стариков Б.П., Тимошечкин М.И. – Квантовая электроника, 1974, т. 1, № 8, с. 1867.
Riseberg L.A., Moos H.W. – Phys. Rev., 1968, v. 174, p. 429.
Орловский Ю.В., Басиев Т.Т., Пухов К.К. – ЖЭТФ, 2008, т. 133, № 4, с. 763.
Basiev T.T., Orlovskii Yu.V., Pukhov K.K., Sigachev V.B., Doroshenko M.E., Vorob’ev I.N. – Journ. of Luminescence, 1996, v. 68, p. 241.
Orlovskii Yu.V., Basiev T.T., Pukhov K.K., Doroshenko M.E., Badikov V.V., Badikov D.V., Alimov O.K., Polyachenkova M.V., Dmitruk L.N., Osiko V.V., Mirov S.V. – Optical Materials, 2007, v. 29, p. 1115.
Doroshenko M.E., Basiev T.T., Osiko V.V., Badikov V.V., Badikov D.V., Jelinkova H., Koranda P., Šulc J. – Optical Letters, 2009, v. 34 (5), p. 590.
Басиев Т.Т., Дорошенко М.Е., Осико В.В., Бадиков В.В., Бадиков Д.В., Панютин В.Л., Шевырдяева Г.С. – Квантовая электроника, 2010, №7, с. 596.
History
In the middle of June, 1961 one of the article authors was called to the office of N.G. Basov, Deputy Director of P.N. Lebedev Physical Institute (PIAS), correspondent member of the Academy of Sciences of the USSR. Nikolai Gennadyevich gave assignment to organize the new department as a part of PIAS, the Single Crystals Department which had a task of searching and obtaining the crystals for lasers. This new term had just appeared in the dictionary, year ago the article of T.H. Maiman was published in Nature (June, 1960) where the ruby optical quantum generator was described. After week of thinking and doubting N.G. Basov was given consent, and on June 30th the order of organization of the Single Crystals Department in PIAS was issued. Since then and up till now this subdivision has been changing its name and status many times but it has kept the obtaining and studying of laser materials and later the creation of lasers as the main research area.
Therefore, the RC LMT has practically the same age as lasers. Before passing on to the description of problems of the laser physics and laser technologies which were successfully solved in the RC LMT over the past decades, we will briefly remember the history and first steps of lasers.
In 1964 Charles Townes, American scientist, and N.G. Basov, A.M. Prokhorov, Russian scientists, received the Nobel Prize in physics "For the fundamental research works in the area of quantum electronics which led to the creation of radiators and amplifiers on the maser-laser basis". They defined the necessary and sufficient conditions of the induced coherent radiation and practically implemented it. Such conditions are the availability of active medium, method of its establishment and availability of the positive feedback for the transformation of amplifier into generator. Some considerations of the capability of amplifier and coherent radiation sources creation were expressed earlier. Thus, it is commonly assumed that the concept of induced radiation was postulated by A. Einstein in 1916. We did not have assignment to dispute this statement but we note that it will be more precisely to say about the generalizing by him of already existing concept for the quantum mechanical system.
He postulated that the transitions from higher energy state to lower energy state can happen not only spontaneously but also by force under the impact of other quantum which comes from outside and has energy equal to the transition energy. As a result, two quanta of radiation – inductive and induced – leave the spot. It is important that both of them propagate in the direction in which the inductive radiation propagated, and at the same time they turn out to be identical, in other words, they have the same energy, emission wave length and polarization. Later S. Bose and A. Einstein (1924) and then P.A.M. Dirac (1927) developed theoretical concepts of the radiation processes and light absorption. As a result, existence of the induced radiation and complete identity (indistinguishability) of these radiation quanta were well grounded including the electromagnetic wave phase (so-called radiation coherence).
Therefore, the concept of induced radiation is one of the foundation stones of quantum electronics and laser physics.
In 1939 V.A. Fabrikant defended the doctoral thesis at P.N. Lebedev Physical Institute; full text of this thesis was published in the Proceedings of All-USSR Electronic Technical Institute [1].
In 1951 he received the Patent No. 123209 on "Method of amplification of the electromagnetic radiation in the ultraviolet, visible, infrared and radio-spectral regions". The amplification effect was obtained experimentally [2].
The fundamental possibility of molecular generator creation was indicated in paper [3]. The paper was received by the editorial staff on January 19th, 1954. In May, 1954 the article [4] was received by the editorial staff of Phys. Rew.; the article, where the creation of maser-molecular generator on NH3 molecules was reported, was published in July, 1954.
Obviously, after the triumphal completion of works on masers the issue of electromagnetic oscillation propagation towards the visible spectrum or the issue of creation of lasers – the sources of coherent radiation of optical range – arose. When scientists describe the history of laser creation they always note that the main obstacle of propagation from the radio- to optical range is the sharp increase of probability of spontaneous transitions, and because of it the obstacles of inverted population achievement and impossibility to implement the positive feedback using known methods arise.
In paper [5] (it was received by the editorial staff on November 1st, 1954) N.G. Basov and A.M. Prokhorov published the idea of generating the inverted population not through the selection of excited and unexcited molecules in the molecular beams but through the influence of outer electromagnetic radiation of the resonance frequency on molecules. This method, which later received the title of "three levels method", makes it possible to achieve the inverted population in any multilevel system despite the quantum energy value [5]. Later the same idea was expressed by N. Bloembergen [6]. Now the method of three levels underlies the operation of all lasers with so-called optical pumping. The second obstacle which consists in the absence of appropriate resonators for the optical range is also successfully removed. The problem was that cavity resonators which were widely used in the radio physics could not be applied in optics because the dimensions of cavity resonator had to be commensurable with the generated radiation wave length. As is known, optical range wave lengths are about 1 micrometer which made the usage of cavity resonators absolutely senseless at that time. In 1958 A.M. Prokhorov suggested using the pair of flat plates – mirrors as so-called open resonator [7].
Such pair of mirrors was used earlier in optics as widespread instrument, so-called Fabry-Pérot interferometer but for completely different purposes. Several months later the idea of open resonator was expressed in paper [8] by L.L. Shavlov and C. Townes. The creation of open resonator removed the last restriction of propagation to the optical spectral region and, in essence, finished the laying of foundation for the laser physics. Nevertheless, the optical range lasers appeared several years later. As it was mentioned above, the first ruby crystal laser was created in the USA in 1960 [9].
The problem was that for the breakthrough into the optical range region besides the parameters listed above the fulfillment of one more condition was necessary – the transition to completely new technologies which have existed neither in the USSR, nor other countries including the USA, was required at that time.
It was necessary to organize the search of new materials and in all conceivable aggregate states – solid (crystals and glasses), liquid, gaseous and plasma states – which had the energy level schemes, appropriate for the generation; the development of methods of obtaining such materials was required. Herewith, very high demands were made of the chemical purity and structural homogeneity of materials, much higher than the demands which existed earlier. Besides, it was necessary to develop and implement methods of the precision mechanical processing of new materials, for example, to develop methods of optical surfaces polishing with the unprecedented high class accuracy, strict parallelism and high flatness. It was necessary to create the radiation sources for the optical pumping, new methods of precision mirrors sputtering. Other elements followed these elements of technology: the creation of new processing equipment, ultrapure reagents, methods and devices for control of the physical parameters of materials and many other absolutely essential "details" which so-called high technology consists of. In essence, it was necessary to create the branched research and manufacturing infrastructure without which the creation and implementation of lasers would be impossible.
In record short time, during one decade, in the USSR the network of new institutes, design-engineering departments and factories were opened; professional community in the laser technology and related areas was trained. As a result, within a short period of time the USSR along with the USA turned into one of two laser superpowers.
Over the last 50 years the history of lasers has been enriched with many great achievements. New types of lasers were created; many practical applications were grounded and developed in medicine, materials processing technology, information processing and transfer, instrument engineering, ecology and many other areas.
Today lasers are the basis of photonics – modern area of technology, generation and transformation of light and other electromagnetic radiations; photons are the quanta of this type radiation. In recent years the development of this area has obtained the explosive behavior and became the competition subject between the most developed countries of the world.
Since the first laser was made on the ruby crystal our attention is focused on the dielectric crystals and glasses which contain the ions of rare-earth and transition elements as active impurities. Besides, it became obvious that these laser materials have a number of fundamental merits and advantages which particularly are:
high concentrations of active species reaching the value of 1023 cm-3;
correct ordered packing of ions (atoms, molecules) is typical for the crystals, it leads to the structural and energetic degeneracy, and results the narrow resonances and large peak values of absorption cross-sections and photon emission and high values of nonlinear optical coefficients;
wide variety of compositions and structures of crystals and glasses, particularly, large variety of combinations of different crystal and glass-like bases and active impurities.
During the first years N.G. Basov was supervising the work of Single Crystals Department. However, soon Nikolai Gennadyevich and his coworkers switched over to the semiconductor lasers. On the other hand, A.M. Prokhorov was still interested in the dielectric laser crystals. Gradually, the Single Crystals Department started moving towards the area of scientific interests of the PIAS oscillation laboratory; A.M. Prokhorov was the head of this laboratory. In 1968 the department was transformed into the subdivision of the oscillation laboratory and since then it has been under the direction of A.M. Prokhorov sequentially being transformed into the laboratory, department and at last into the Research Center of Laser Materials and Technologies; it has this status even at the present time.
From the very beginning of its existence the subject area of the Center was being formed on the basis of complete cycle: searching and obtaining of the laser crystals and glasses, studying of their spectral and spectrally kinetic properties, obtaining and analysis of generation. Such work organization was making it possible to include the feedback and according to the results of research correct the technology of laser materials thus reducing the time which was necessary for the achievement of desired result. Complex character of works in the Center was and is its distinctive feature.
Solid-State Lasers Generation Spectrums. Spectrally Positioned Lasers
The first success came after the obtaining of fluorite crystals and its fluoride analogs with the impurity of tri- and bivalent rare-earth ions. In 1965 the generation was obtained on CaF2–Sm2+, CaF2–Tm2+ and СaF2–Nd3+. Lasers on CaF2–Dy2+–Сe3+ got the special importance at that time. During certain period of time the lasers on these crystals which radiated on the wave of 2.36 µm were the most high-power continuous lasers. Their power reached 200 W. It is interesting that nobody in the world could reproduce the technology of these crystals [10].
Even before our works it has been found that the rare-earth ions form minimum two types of centers in the fluorite crystals which differ with the absorption and luminescence spectrums [11].
Explanation of this phenomenon is that the rare-earth ions can be located in crystal fields with different symmetry which causes the different value of energy-level splitting. Theoretical analysis given in papers [12, 13] shows that several types of structurally degenerated optical centers can be formed in the fluorite crystals; their relative concentration depends on the concentration of rare-earth ions and temperature of thermodynamic equilibrium. Herewith, the optical centers of cubic, tetragonal, rhombic (and in some cases trigonal) symmetry simultaneously coexist in crystals. As a result, due to the differences of the values of crystal splitting of the Stark levels the absorption and spontaneous emission spectrums of such crystals represent the superposition of spectrums of all optical centers listed above. When conducting the spectroscopic research of laser fluorite crystals with the rare-earth ions these conclusions were confirmed. Furthermore, it turned out that this phenomenon was typical for all types of crystals with the structurally degenerated optical centers – for the tungstates and molybdates, garnets, niobates, halogenides etc. (Fig. 1). In paper [14] this phenomenon was called the inhomogeneous splitting (by analogy with the term of inhomogeneous broadening). Generation experiments of the crystals with the inhomogeneous split spectrums testified that the frequencies which are typical for the centers of different structure can be observed in generation spectrums individually as well as simultaneously; it gave opportunity to vary in some limits of generation wave lengths at that stage introducing the changes into the technology of crystals or conditions of generation excitation. Special experimental methods were developed for the quantitative assessment of concentrations of the centers of different structures such as the method of concentration series and method of balanced equations [15, 17]. It should be noted that listed results became the precursor of so-called site spectroscopy which is the area of crystal spectroscopy actively developed in the world from the early eighties of the last century.
Developing the concept of inhomogeneous splitting of optical spectrums of crystals with the rare-earth ions we have reached the extreme case, case of structurally disordered crystals. The first such crystal was the yttrofluorite with neodymium. Yttrofluorite is the solid solution of YF3 in CaF2. This crystal is structurally disordered. The structural degeneracy of centers of certain types is removed and entering into its composition the rare-earth ions get into the infinitely various crystal fields. As a result, the spectrums of the rare-earth ions turn out to be inhomogeneous broadened and represent the set of wide bands which are very similar to the spectrums of laser glasses [18]. It should be noted that in these papers attention was paid to the convenience of laser crystals with the disordered structure for the semiconductor pumping. This idea is very actively developing nowadays.
During the several decades which have passed from the moment of new laser creation the arsenal of solid-state lasers has been enlarged with the several hundreds of various crystals and glasses with the rare-earth and transition elements as active impurities.
Generation spectrums of these laser materials are located in the visible, infrared (mostly) and closest ultraviolet spectral regions. In the midst of this multitude of generating materials only a few of them are actually used in the laser devices. Other materials which have very low energy characteristics are appropriate only for the laser effect demonstration. Crystals on which sufficiently effective solid-state lasers are created are given in Table 1. Few kinds of silicate and phosphate glasses with neodymium and erbium should be added to this list. There are also generation wave lengths in Table 1 but, as we see, their amount is very small. In the meanwhile, there are many important tasks which require the usage of lasers with strictly defined generation wave lengths for their solution. Let us remind of some of them.
There are so-called transmission bands in the atmosphere spectrum; these are the spectral regions where the atmosphere is transparent for the electromagnetic emission. As is known, one of such bands is located in the visible region of spectrum; due to this fact the life on Earth is possible. There are also such bands in the infrared spectral region, for example, close to 2 µm and in the range of 4-5 µm. The last region is interesting because the vibration spectrums of many molecules are located in it including such molecules which content in the atmosphere we would like to define and control. Particularly, these molecules are the molecules of halogen hydrides, carbon monoxide, nitrite oxide etc. Remote control of concentration of these molecules in atmosphere can be fulfilled through their excitation with the spectrally selective emission sources. Lasers which are irradiative on strictly designated wave lengths appropriate of the absorption spectrums of each molecule are needed for this, in other words, the spectrally positioned laser sources are needed.
Other example. The values of wave lengths of the strongest lines of absorption and luminescence of atoms of some metals are given in Table 2. These are so-called "analytical" spectral lines; very small concentrations of these metals are determined according to these lines using the spectral analysis methods. Spectrally positioned sources which are irradiant in the closest ultraviolet part of spectrum are also needed for the remote determination of small concentrations of metals in the atmosphere, water or soils, for example, for the purposes of ecological monitoring.
Spectrally positioned radiation sources are needed for the solution of extensive list of problems. Besides the areas of ecology, ground communication with the flying and space objects these sources are also necessary for the fiber optic communication systems, medical needs and for several other purposes (for example, for the creation of so-called sodium star [19]).
It should be emphasized that the width of lines in absorption spectrums of atoms, ions and molecules is 10-1-10-2 cm-1, in other words, the lines are very narrow. The radiation spectrums of majority of lasers are also narrow. Their typical values are 0.1–1 сm-1. Therefore, it is difficult to "tune" the laser source to the required absorption line.
The problem of creation of laser sources with strictly spectrally positioned radiation for the remote action on the atomic and molecular systems which have very narrow spectral resonances can be solved in two ways.
By the usage of lasers with the tunable generation frequency, in other words, by the usage of principle of the radiator tuning to the frequency of atoms and molecules resonance.
By the transformation of radiation of the existing lasers into the shorter-wave or longer-wave spectrum part in such a way for the spectrum of transformed radiation to correspond to the required wave length. And the radiation of monochromatic lasers can be transformed as well as the radiation of tunable lasers. The tuning of radiation wave length is performed through the crystals which have extremely intense nonlinear optical properties. Herewith, physical phenomena such as the transformation of harmonics are used at the expense of phase synchronism, parametric light generation (PLG) and induced combinational light scattering (ICS-transformation).
Crystals for the Tunable Lasers
The most effective crystals for the tunable lasers are given in Table 3. The crystals of two types are specified here. In the first type the laser active centers are formed by their own point defects, so-called color centers. In the second type they are formed by the impurity ions of transition elements of Cr2+, Cr3+, Cr4+, Ti3+, Co2+, Ce3+. In both cases the crystal luminescent spectrums represent wide (width of luminescence bands reach 1000 сm-1) unstructured or poorly structured bands; within their circuits the generation re-tuning can be accomplished.
LiF crystals have great importance among the listed crystals with the color centers (CC). This crystal has cubic structure and is not drying. It has high thermal conductivity which is higher than the thermal conductivity of yttrium-aluminium garnet. Besides, it has low value of the nonlinear refractive index (n2). Due to these properties the LiF crystal has high laser-damage threshold which is 3.6 GW/сm2 (under the wave length of 1.06 µm and pulse duration of 10 ns) and can be used in laser systems with high peak power. Disadvantages of the LiF crystals are the low mechanical characteristics.
Structures of the main types of color centers in the LiF are given in Fig. 2: F, F2 , F2+ и F2-. The foundation of CC structure is the vacancies of anions which have the effective positive charge and as a result the capability to localize electrons. Besides, the vacancies of fluorine are inclined to the aggregation into vapors and more compound associates under certain conditions. The most "laser-active" centers are F2 (pair of vacancies which caught 2 electrons); F2+ (pair with one electron) and F2- (pair with three electrons).
Over the last years the technologies which make it possible to obtain the photo- and thermally stable LiF crystals with CC have been created. Crystals have very high optical densities (absorption coefficients reach several inverse centimeters at the peaks of CC absorption bands) and high contrast, in other words, the ratio of useful CC absorption to the background absorption which reaches 20-40. LiF crystals of F2+ which are described in papers [20, 21] do not detect the degradation upon the optical pumping in the region of 620-750 nm under the densities up to ∼5 J/сm2. "Lifetime" of such crystals is 10 years under the temperature of 300 K. Coefficient of efficiency of such elements generation reaches 50% (under the optical pumping).
Absorption and luminescence spectrums of the main CC in the LiF crystals are given in Fig. 3. As the figure shows, it is possible to intercept the relatively wide spectral region using the same crystal with different CCs. Series of broad-band spectrometers of the visible and closest infrared range of MALSAN type were created on the basis of the LiF crystals with color centers; these spectrometers are successfully operated in many laboratories of the world.
ICS-Transformation of Laser Emission Spectrums
Over the last 30 years the usage of phenomenon of the induced combinational light scattering for the transformation of laser emission spectrums has developed a lot [22–24].
Papers of the last years indicated that ICS radiation can be moved to 50-80% of the laser emission which falls on the environment. Such high efficiencies transfer the ICS usage to the practical area; it will be possible to create the efficient spectral transformers for the laser radiators using this phenomenon. Crystal ICS-transformers have considerable advantage over the gaseous and liquid transformers. High densities of the substance provide with the most compact interaction of excitant light with the ICS-active material and high amplification coefficient, and the structure order amplifies the collective effect of interaction with the laser emission, reduces the effect threshold and leads to the increase of amplification coefficient and efficiency of the ICS transformation.
In connection with the growing interest to the ICS-active crystals the necessity of their wide search and comparative analysis arose. Over the recent years tens of the crystalline compounds has been studied. The main parameters of combinational scattering were evaluated according to the results of research of the spontaneous combinational scattering which can be held on single crystals as well as polycrystalline samples [25]. There are such materials as diamonds, simple oxides among the CS-active crystalline compounds. However, the complex compounds with complex oxygen-containing anions form the most numerous group of crystals. ICS-active oscillations in these compounds are caused by the central symmetrical ("respiratory") movements of oxygen ions relatively to the central ion in quasi-molecular groups of [CO3], [NO3], [PO4], [ClO3], [WO4], [NbO6], [IO3], [BrO3], [SiO4], [NbO4], and hydrogen ions in groups of [NH4].
The main compounds which were studied at the RC LMT and relevant parameters of CS are specified in Table 4. Relative integral and peak intensities and CS frequencies which define the value of frequency shift of the incident radiation are determined. Large variation of oscillation frequencies (from 250 to 1700 сm-1) for the materials of different composition should be noted. This data testifies that having the set of large amount of ICS-crystals it is possible to accomplish the discrete tuning of laser emission frequency, and its shift to the long-wave spectral region by the values specified in Table 4. Furthermore, diamond and compounds of tungstates, molybdates, niobates and iodates have the largest values of integrated cross-section of scattering (600-900 сm-1) among the listed crystals. On the other hand, threshold and coefficient of ICS amplification under the pumping with short nano- and picosecond pulses are determined by the peak values of scattering cross-section. According to this parameter the crystals of nitrates, tungstates and molybdates (along with diamond) stand out. Further analysis showed that crystals which simultaneously have high integrated cross-sections of CS and small lines width are the most preferential. It is shown in paper [25] that the crystals of tungstates and molybdates of the alkaline-earth elements represent considerable interest in this respect. Taking into account that the broadening of CS lines is connected with the interaction of high-frequency ICS-active oscillations with the lattice fonon modes it is necessary to decrease the frequencies of these modes selecting the crystals with the heaviest ions within the homologous series. For example, widely known crystal of scheelite series of CaWO4 has the width of CS line: Δν = 6,95 cm-1. The replacement of ions of Ca2+ by the ions of Sr2+ and Ba2+ made it possible to slow down the relaxation processes and narrow the CS line down to 1.63 сm-1 (BaWO4). The increase of ionic radius in the series of Ca2+, Sr2+, Ba2+ and parameters of the crystal lattice also leads to the increase of frequency of the group of totally symmetrical vibrations [WO4]. These two factors lead to the considerable growth of the peak scattering cross-section and ICS-amplification coefficient. Analogous regularities are revealed in the homologous series of alkaline-earth molybdates (see Table 5). Subsequently, the forecasts which were made on the basis of research of spontaneous CS are confirmed through the direct methods of determination of ICS-amplification and ICS-generation. The results of generation of the consecutive series of ICS-components (up to the fourth component) on the crystal of BaWO4 are specified in Fig. 4 [26].
Comparative analysis of capabilities of the spectral transformation of laser emission using all methods mentioned above leads to the following conclusions:
In contrast to the ICS-transformation, the generation of harmonics provides with the shift to the short-wave spectral region and for all crystals this shift is multiple of the frequency of fundamental harmonic. It means that the transformation of harmonics cannot provide with the spectral variety which is inherent to the ICS-transformation. Nevertheless, the shift towards blue and closest ultraviolet spectral region is very topical in itself because this spectral region is poor in relation to the laser frequencies.
In comparison with PLG the ICS-transformation has:
higher quantum efficiency;
higher stability of the energy parameters;
high spatial homogeneity of emission; absence of the induced birefringence.
Combination of lasers with the fixed frequency and tunable lasers with the ICS- and other nonlinear optical transformers makes it possible to intercept the closest ultraviolet, visible and closest infrared spectral regions to the maximum and provides with wide set of the laser wave lengths for the creation of spectrally positioned emission sources with the required parameters.
Solid-State Lasers of the Infrared Midrange of Wave Length
In 1974 the yttrium-erbium-aluminium garnet lasers which generated on the wave length of 2.94 µm were created [27]. However, the further propagation to the infrared midrange decelerated for a while. Reason was in the fundamental processes of energy transformation of the electron excitations in the solid bases with the rare-earth impurities. The matter is that upon the decrease of energy of the electron transitions in the rare-earth ions the probability of multiphonon radiationless relaxation increases; due to the simultaneous interaction of electron transitions with several phonons of the crystal lattice the transition to the lower state turns out to be quenched. Nature and regularities of the radiationless relaxation have been studied during several decades. In paper [28] the law of energy gap was defined for the first time; it determines the logarithmic connection of quenching probability with the value of energy gap. Also long time ago it became obvious that the quenching at the expense of multiphonon relaxation is decreased upon the transition to the bases with wide electromagnetic radiation transmission band which testifies of the small phonon energies. However, the reality is much more complicated. It was detected that the quenching probability can differ by the several orders of magnitude in the host crystals with equal maximum phonon energies [29]. In papers [30, 31] the nonlinear theory of multiphonon relaxation was developed; it showed that the probability of multiphonon relaxation depends on many factors in a complicated way, such as transition energy value, energy of the efficient longitudinal optical phonon, value of the matrix element of intermultiplet transition, radius of the crystal lattice cation. Experimental results turned out to be in agreement with the theory conclusions. On the basis of obtained results the most prospective host crystals and active rare-earth element ions were selected, and the relevant laser crystals were synthesized. The crystals of various fluorides, chlorides, sulfides and selenides (elements of the first, second and third groups of the periodic system with the impurities of neodymium, praseodymium, dysprosium, erbium) were synthesized and studied. The most significant results were received on the crystals of complex chalcogenides; crystals of lead tiogallate with the dysprosium impurity – PbGa2S4-Dy3+ and PbGa2S4-Dy3+–Na1+ – should be noted among them. Generation was obtained on two transitions of ions of Dy2+ 6H11/2→6H13/2 and 6Н9/2→6Н11/2, in other words, under the cascade circuit. The pumping was performed by the yttrium-aluminium garnet laser – Nd3+ upon the generation wave length of 1.38 µm. Herewith the longitudinal pumping scheme was used. The scheme of levels of the ion Dy3+ in PbGa2S4 is given in Fig.5. The determination of lifetime of levels 6Н9/2, 6Н11/2 and 6H13/2 showed that they are equal to 160 µs, 2 ms and 5.6 ms respectively which means that the laser transitions 6H11/2→6H13/2 and 6Н9/2→6Н11/2 are self-contained. Generation develops from the beginning upon the transition 6H11/2→6H13/2, and then (upon the increase of pumping energy) on the transition 6Н9/2→6Н11/2. Luminescence spectrums and generation spectrums are given in Fig. 3. It is obvious that the simultaneous generation on six lines is reached (3 – in the region of 4.3-4.7 µm and 3 – in the region of 5.2-5.5 µm). Generation pulse duration reaches 1.5 ms. Pulse energy is 15 mJ under the differential coefficient of efficiency of 4% [32, 33].
Search of new materials for the lasers of infrared midrange intensively continues at the present time. Herewith the crystalline as well as vitreous materials are synthesized and studied.
Therefore, long-term efforts of the RC LMT made it possible to broaden considerably the "palette" of wave lengths of the solid-state lasers generation.
В середине июня 1961 года один из авторов статьи был вызван в кабинет заместителя директора ФИАН чл.-корр. АНСССР Н.Г.Басова. Николай Геннадиевич поручил организовать в составе ФИАН новый отдел – отдел монокристаллов с задачей поиска и получения кристаллов для лазеров. Этот новый термин появился в словаре совсем недавно: годом ранее была опубликована статья Т.Х.Меймана в Nature (июнь 1960), в которой описывался оптический квантовый генератор на рубине. После недели раздумий и сомнений Н.Г.Басову было дано согласие, и уже 30 июня вышел приказ об организации в ФИАНе отдела монокристаллов. С тех пор и по настоящее время это подразделение неоднократно меняло свое название и статус, сохраняя, однако, в качестве основного научного направления получение и исследование лазерных материалов, а позже и создание самих лазеров.
Таким образом, НЦЛМТ является практически ровесником лазеров.
Прежде чем перейти к описанию проблем лазерной физики и лазерных технологий, успешно решенных в НЦЛМТ за истекшие десятилетия, напомним кратко предысторию и первые шаги лазеров.
В 1964 году американским ученым Чарльзом Таунсом и отечественными учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была получена Нобелевская премия по физике "За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на мазерно-лазерном принципе". Ими были сформулированы необходимые и достаточные условия генерации вынужденного когерентного излучения и осуществлена их практическая реализация. Такими условиями являются наличие активной среды, метод её создания и наличие положительной обратной связи для превращения усилителя в генератор. Некоторые соображения о возможности создания усилителя и источников когерентного излучения высказывались и ранее. Так, общепринято считать, что понятие вынужденного излучения было постулировано А. Эйнштейном в районе 1916 года. Мы не ставили своей задачей оспаривать это утверждение, однако заметим, что точнее будет сказать об обобщении им уже существовавшего понятия для квантовомеханической системы.
А.Эйнштейном было постулировано, что переходы из более высокого энергетического состояния в более низкое могут осуществляться не только спонтанно, т.е. самопроизвольно, но и вынужденно под воздействием пришедшего извне другого кванта, имеющего энергию, равную энергии перехода. В результате с места события уходят уже два кванта излучения – вынуждающий и вынужденный. Важно, что оба они распространяются в направлении, в котором распространялось индуцирующее излучение, и при этом они оказываются идентичными, т.е. имеют одинаковую энергию, длину волны излучения и поляризацию. Позже Ш. Бозе и А. Эйнштейн (1924 год), а затем П. А. М. Дирак (1927 год) разработали теоретические представления о процессах излучения и поглощения света. В результате были строго обоснованы существование индуцированного излучения и полная тождественность (неразличимость) квантов этого излучения, включая фазу электромагнитных волн (так называемая когерентность излучения).
Таким образом, представление об индуцированном излучении является одним из краеугольных камней квантовой электроники и физики лазеров.
В 1939 году в Физическом институте им. П. Н. Лебедева была защищена докторская диссертация В.А.Фабрикантом, полный текст которой опубликован в Трудах Всесоюзного электротехнического института [1].
В 1951 году им же был получен патент № 123209 "Метод усиления электромагнитного излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радиоспектральных областях". Экспериментально был получен эффект усиления [2].
На принципиальную возможность создания молекулярного генератора было указано в работе [3]. Работа поступила в редакцию 19 января 1954 года. В мае 1954 года в редакцию Phys. Rew. поступила статья [4], опубликованная в июле 1954 года, в которой сообщалось о создании мазера – молекулярного генератора на молекулах NH3.
Совершенно естественно, что после триумфального завершения работ по мазерам возник вопрос о продвижении в сторону видимого участка спектра электромагнитных колебаний, т. е. о создании лазеров – источников когерентного излучения оптического диапазона. Описывая историю создания лазера, часто отмечают, что основными трудностями продвижения из радио- в оптический диапазон является резкое возрастание вероятности спонтанных переходов, в связи с чем появляются трудности в достижении инверсной населенности и невозможность реализовать известными методами положительную обратную связь.
В [5] (поступила в редакцию 01 ноября 1954 года) Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была опубликована идея создания инверсной населенности не путем селекции возбужденных и невозбужденных молекул в молекулярных пучках, а за счет воздействия на молекулы внешнего электромагнитного излучения резонансной частоты. Этот метод, получивший в последствии название метода трех уровней, позволяет достигать инверсной населенности в любых многоуровневых системах, независимо от величины энергии кванта [5]. Позднее аналогичная идея была высказана Н. Бломбергеном [6]. Метод трех уровней лежит сейчас в основе работы всех лазеров с так называемой оптической накачкой. Столь же успешно было преодолено и второе из препятствий – отсутствие подходящих резонаторов для оптического диапазона. Проблема состояла в том, что объемные резонаторы, широко использовавшиеся в радиофизике, не могли быть применены в оптике по той причине, что размеры объемного резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны генерируемого излучения. Как известно, длины волн оптического диапазона составляют величины порядка 1 микрометра, что делало в то время применение объемных резонаторов абсолютно бессмысленным. В 1958 году А. М. Прохоров предложил использовать в качестве резонатора пару плоских параллельных пластин – зеркал, так называемый открытый резонатор [7].
Такая пара зеркал использовалась ранее в оптике в качестве весьма распространенного инструмента, так называемого интерферометра Фабри–Перо, но совершенно для других целей. Несколькими месяцами позднее идея открытого резонатора была высказана в [8] Л. Л. Шавловым и Ч. Таунсом. Создание открытого резонатора снимало последнее ограничение для продвижения в оптическую область спектра и, по существу, завершило собой построение фундамента лазерной физики. Тем не менее, лазеры оптического диапазона появились лишь несколько лет спустя. Первый лазер на кристаллах рубина, как уже отмечалось, был создан в США (1960 год), [9].
Дело в том, что для прорыва в область оптического диапазона, кроме всего перечисленного выше, необходимо было выполнение еще одного условия: требовался переход на совершенно новые технологии, которых не существовало тогда ни в СССР, ни в других странах, включая и США.
Необходимо было организовать поиск новых материалов, причем во всех мыслимых агрегатных состояниях: твердом (кристаллы и стекла), жидком, газообразном и в состоянии плазмы, обладающих подходящими для генерации схемами энергетических уровней; требовалось разработать методы получения этих материалов. При этом предъявлялись очень высокие требования к химической чистоте и структурной однородности материалов, значительно более высокие, чем существовали раньше. Кроме того, необходимо было разработать и внедрить в практику методы прецизионной механической обработки новых материалов, например разработать методы полировки оптических поверхностей с небывало высоким классом точности, строгой параллельностью и высокой плоскостностью. Нужно было создать новые источники излучения для оптической накачки, новые методы напыления прецизионных зеркал. За этими звеньями технологии тянулись другие: создание нового технологического оборудования, особо чистых реактивов, методик и приборов для контроля физических параметров материалов и много других совершенно необходимых "мелочей", из которых складываются так называемые высокие технологии. По существу, необходимо было создать разветвленную исследовательскую и промышленную инфраструктуру, без которой создание лазеров и их продвижение в практику были бы невозможны.
В рекордно короткие сроки, в пределах одного десятилетия, в СССР была создана сеть новых институтов, конструкторских бюро и производств, подготовлены кадры специалистов-лазерщиков и специалистов смежных направлений. В результате за короткий срок СССР превратился, наряду с США, в одну из двух лазерных сверхдержав.
За прошедшие 50 лет история лазеров обогатилась многими замечательными свершениями. Созданы новые типы лазеров, обоснованы и разработаны многие направления их практического использования в медицине, технологии обработки материалов, обработке и передаче информации, приборостроении, экологии и во многих других областях.
Сегодня лазеры составляют основу фотоники – современной области технологии, генерации и преобразования света и других электромагнитных излучений, квантами которых являются фотоны. Развитие этой области приобрело в последние годы взрывной характер и составляет предмет соревнования между наиболее развитыми странами мира.
Поскольку первый лазер был построен на кристалле рубина, наше внимание сосредоточилось на диэлектрических кристаллах и стеклах, содержащих в качестве активных примесей ионы редкоземельных и переходных элементов. Кроме того, стало очевидным, что эти лазерные материалы обладают целым рядом фундаментальных достоинств и преимуществ. Среди них:
высокие концентрации активных частиц, достигающие величины 1023 см-3;
для кристаллов характерна правильная упорядоченная упаковка ионов (атомов, молекул), что приводит к структурному и энергетическому вырождению и, как следствие, к узким резонансам и большим пиковым значениям сечений поглощения и излучения фотонов, а также к высоким значениям нелинейно- оптических коэффициентов;
большое разнообразие составов и структур кристаллов и стекол, в частности, огромное разнообразие сочетаний различных кристаллических и стеклообразных основ и активных примесей.
Первые годы работу отдела монокристаллов курировал Н. Г. Басов. Однако вскоре Н.Г. и его сотрудники переключились на полупроводниковые лазеры. С другой стороны, диэлектрические лазерные кристаллы по-прежнему интересовали А. М. Прохорова. Постепенно отдел монокристаллов стал все более смещаться в сферу научных интересов лаборатории колебаний ФИАН, руководителем которой и был А. М. В 1968 году отдел был преобразован в подразделение лаборатории колебаний и с тех пор оставался под руководством А. М. Прохорова, последовательно преобразуясь в лабораторию, отдел и, наконец, в Научный центр лазерных материалов и технологий, в статусе которого пребывает и в настоящее время.
С самого начала существования тематика Центра строилась по полному циклу: поиск и получение лазерных кристаллов и стекол, исследование их спектральных и спектрально-кинетических свойств, получение и исследование генерации. Такая организация работ позволяла включить обратную связь и по результатам исследований вносить коррективы в технологию лазерных материалов, сокращая, таким образом время, необходимое для достижения желаемого результата. Комплексный характер работ в Центре являлся и является его фирменным знаком.
Спектры генерации твердотельных лазеров. Спектрально позиционированные лазеры
Первые успехи пришли после получения кристаллов флюорита и его фторидных аналогов с примесью трех- и двухвалентных редкоземельных ионов. Уже к 1965 году была получена генерация на CaF2–Sm2+, CaF2–Tm2+ и СaF2–Nd3+. Особое значение в то время приобрели лазеры на CaF2–Dy2+–Сe3+. В течение некоторого времени лазеры на этих кристаллах, излучающие на волне 2,36 мкм, были самыми мощными непрерывными лазерами. Их мощность достигала 200 Вт. Интересно, что технологию этих кристаллов никто в мире воспроизвести так и не смог [10].
Еще до наших работ было обнаружено, что редкоземельные ионы образуют в кристаллах флюорита как минимум два типа центров, отличающихся спектрами поглощения и люминесценции [11].
Объяснение этого явления состояло в том, что РЗ ионы могут размещаться в различных по симметрии кристаллических полях, что приводит к различному по величине расщеплению энергетических уровней. Теоретическое рассмотрение, проведенное в [12, 13], показало, что в кристаллах флюорита могут образовываться несколько типов структурно-вырожденных оптических центров, относительная концентрация которых зависит от концентрации редкоземельных ионов и температуры термодинамического равновесия. При этом в кристаллах одновременно сосуществуют оптические центры кубической, тетрагональной, ромбической (а в некоторых случаях и тригональной) симметрии. В результате, в силу различий в величине кристаллического расщепления штарковских уровней, спектры поглощения и спонтанного излучения таких кристаллов представляют собой суперпозицию спектров всех перечисленных оптических центров. При спектроскопических исследованиях лазерных кристаллов флюорита с редкоземельными ионами эти выводы были подтверждены. Более того, оказалось, что это явление характерно для всех типов кристаллов со структурно вырожденными оптическими центрами: для вольфраматов и молибдатов, гранатов, ниобатов, галогенидов и др. (рис.1). В [14] это явление было названо неоднородным расщеплением (по аналогии с термином неоднородное уширение). Генерационные эксперименты кристаллов с неоднородно расщепленными спектрами показали, что в спектрах генерации могут наблюдаться частоты, характерные для центров различной структуры, причем как по отдельности, так и одновременно, что уже на том этапе давало возможность варьировать в некоторых пределах длины волн генерации, внося изменения в технологию кристаллов или условия возбуждения генерации. Для количественной оценки концентраций центров той или иной структуры были разработаны специальные экспериментальные методы, такие как метод концентрационных серий и метод балансных уравнений [15, 16]. Следует отметить, что перечисленные результаты явились предтечей так называемой site spectroscopy – направления в спектроскопии кристаллов, активно развиваемом в мире с начала 80-х годов прошлого века.
Развивая представления о неоднородном расщеплении оптических спектров кристаллов с редкоземельными ионами, мы вышли на предельный случай, – случай структурно разупорядоченных кристаллов. Первым из таких кристаллов был иттрофлюорит с неодимом. Иттрофлюорит – твердый раствор YF3 в CaF2. Этот кристалл структурно разупорядочен. В нем снимается структурное вырождение отдельных типов центров и, входя в его состав, редкоземельные ионы попадают в бесконечно разнообразные кристаллические поля. Как результат, спектры редкоземельных ионов оказываются неоднородно уширенными и представляют собой набор широких полос, очень похожих на спектры лазерных стекол [18]. Надо заметить, что уже в этих работах было обращено внимание на то, что лазерные кристаллы с разупорядоченной структурой могут быть очень удобны для полупроводниковой накачки. Эта идея сейчас очень активно разрабатывается.
В течение нескольких десятилетий, прошедших с момента создания первого лазера, арсенал твердотельных лазеров пополнился несколькими сотнями самых различных кристаллов и стекол с редкоземельными и переходными элементами в качестве активных примесей.
Спектры генерации этих лазерных материалов расположены в видимой, ИК- (в основном) и ближней УФ-областях спектра. Среди этого множества генерирующих материалов лишь очень немногие реально используются в лазерных приборах. Остальные, обладая очень низкими энергетическими характеристиками, пригодны только для демонстрации лазерного эффекта. В табл. 1 приведены кристаллы, на которых создаются достаточно эффективные твердотельные лазеры. В этот список следует добавить еще несколько разновидностей силикатных и фосфатных стекол с неодимом и эрбием. В таблице приведены также длины волн генерации, набор которых, как видим, весьма скуден. Между тем, существует много важных задач, требующих для своего решения использования лазеров со строго определенными длинами волн генерации. Напомним некоторые из этих задач.
В спектре атмосферы имеются так называемые "окна" пропускания – спектральные области, в которых атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения. Одно из таких окон расположено, как известно, в видимой части спектра, благодаря чему возможна жизнь на Земле. Есть такие окна и в ИК- области спектра, например, вблизи 2 мкм и в диапазоне 4–5 мкм. Последняя из областей интересна тем, что как раз в ней расположены колебательные спектры многих молекул, в том числе и тех, содержание которых в атмосфере нам хотелось бы определять и контролировать. Среди них молекулы галоидоводородов, окиси углерода, окиси азота и др. Дистанционный контроль концентрации этих молекул в атмосфере может быть осуществлен путем их возбуждения спектрально − селективными источниками излучения. Для этого нужны лазеры, излучающие на строго заданных длинах волн, соответствующих спектрам поглощения каждой из молекул, т.е. нужны спектрально позиционированные лазерные источники.
Другой пример. В табл.2 приведены значения длин волн наиболее сильных линий поглощения и флюоресценции атомов некоторых металлов. Это − так называемые "аналитические" спектральные линии, по которым с помощью спектральных методов анализа определяются очень малые концентрации этих металлов. Для дистанционного определения малых концентраций металлов в атмосфере, в воде или в почвах, например в целях экологического контроля, также необходимы спектрально позиционированные источники, но излучающие уже в ближней ультрафиолетовой части спектра.
Список проблем, для решения которых необходимы спектрально позиционированные источники излучения, весьма обширен. Помимо экологии, наземной связи с летающими и космическими объектами, такие источники нужны для оптико-волоконных систем связи, для нужд медицины и для некоторых других целей (например, для создания так называемой натриевой звезды [19]).
Следует подчеркнуть, что ширина линий в спектрах поглощения атомов, ионов и молекул составляет 10-1–10-2 см-1, т. е. линии очень узки. Также узки и спектры излучения большинства лазеров. Они составляют характерные величины 0,1–1 см-1. Поэтому "настроить" лазерный источник на требуемую линию поглощения – не простая задача.
Проблема создания лазерных источников со строго спектрально позиционированным излучением для дистанционного воздействия на атомные и молекулярные системы, обладающие узкими спектральными резонансами, решается двумя путями:
использованием лазеров с перестраиваемой частотой генерации, т.е. использованием принципа настройки излучателя на частоты резонанса атомов или молекул;
путем преобразования излучения существующих лазеров в более коротковолновую или в более длинноволновую части спектра таким образом, чтобы спектр преобразованного излучения соответствовал требуемой длине волны. Причем, преобразовываться могут как излучение монохроматических лазеров, так и излучение перестраиваемых лазеров. Перестраивание длины волны излучения осуществляется с помощью кристаллов, обладающих сильно выраженными нелинейно-оптическими свойствами. При этом используются такие физические явления, как преобразование гармоник за счет фазового синхронизма, параметрическая генерация света (ПГС) и вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР-преобразование).
Кристаллы для перестраиваемых лазеров
В табл.3 приведены наиболее эффективные кристаллы для перестраиваемых лазеров. Здесь представлены кристаллы двух типов. В одном из них лазерно-активные центры образованы собственными точечными дефектами, так называемыми центрами окраски. Во втором – примесными ионами переходных элементов Cr2+, Cr3+, Cr4+, Ti3+, Co2+, Ce3+. В обоих случаях спектры люминесценции кристаллов представляют собой широкие (ширины полос люминесценции достигают 1000 см-1) бесструктурные или слабо структурированные полосы, в пределах контуров которых и может осуществляться перестройка генерации.
Среди перечисленных кристаллов с центрами окраски (ЦО) выдающееся значение приобрели кристаллы LiF. Этот кристалл имеет кубическую структуру и не гигроскопичен. Он обладает высокой теплопроводностью, превышающей теплопроводность иттрий–алюминиевого граната. Кроме того, он имеет низкое значение нелинейного показателя преломления (n2). Благодаря этим свойствам LiF имеет высокий порог лазерного разрушения – 3,6 Гвт/см2 (при длине волны 1,06 мкм и длительности импульсов 10 нс) и может использоваться в лазерных системах с высокой пиковой мощностью. К недостаткам LiF относятся сравнительно невысокие механические характеристики.
На рис.2 приведены структуры основных видов ЦО в LiF: F, F2 , F2+ и F2- . Основой структуры ЦО являются вакансии анионов, которые обладают эффективным положительным зарядом и вследствие этого – способностью локализовать на себе электроны. Кроме того, вакансии фтора склонны при некоторых условиях к агрегации в пары и более сложные ассоциаты. Наиболее "лазерно-активными" центрами являются F2 (парная вакансия, захватившая 2 электрона); F2+ (пара с одним электроном) и F2- (пара с тремя электронами).
В последние годы созданы технологии, позволяющие получать фото- и термоустойчивые кристаллы LiF c ЦО. Кристаллы имеют высокие оптические плотности (коэффициенты поглощения достигают нескольких обратных сантиметров в максимумах полос поглощения ЦО) и высокий контраст, т.е. отношение полезного поглощения ЦО к фоновому, достигающий 20–40. Описанные в [20, 21] кристаллы LiF: F2+ не обнаруживают деградации при оптической накачке в области 620–750 нм при плотностях до ∼5 дж/см2. "Время жизни" этих кристаллов составляет 10 лет при температуре 300К. КПД генерации таких элементов достигает 50% (по оптической накачке).
На pис.3 представлены спектры поглощения и люминесценции основных ЦО в кристаллах LiF. Как видно из рисунка, используя один и тот же кристалл с различными ЦО, можно перекрыть относительно широкую спектральную область. На основе кристаллов LiF с центрами окраски создана серия широкополосных спектрометров видимого и ближнего ИК-диапазона типа МАЛСАН, которые успешно работают во многих лабораториях мира.
ВКР-преобразование спектров лазерного излучения
За последние 30 лет большое развитие получило использование явления вынужденного комбинационного рассеяния света для преобразования спектров лазерного излучения [22–24].
Работы последних лет показали, что в ВКР- излучение может быть переведено до 50–80% падающего на среду лазерного излучения. Такие высокие эффективности переводят использование ВКР в практическую плоскость: с помощью этого явления можно создавать эффективные спектральные преобразователи для лазерных излучателей. Кристаллические ВКР-преобразователи имеют существенное преимущество перед газообразными и жидкими. Высокие плотности вещества обеспечивают наиболее компактное взаимодействие возбуждающего света с ВКР-активным веществом и высокий коэффициент усиления, а упорядоченность структуры усиливает коллективный эффект взаимодействия с лазерным излучением, снижает порог эффекта и приводит к росту коэффициента усиления и эффективности ВКР-преобразования.
В связи с растущим интересом к ВКР-активным кристаллам возникла необходимость их широкого поиска и сравнительного анализа. За последние годы обследованы многие десятки кристаллических соединений. Основные параметры комбинационного рассеяния оценивались по результатам исследования спонтанного комбинационного рассеяния, которое может проводиться как на монокристаллах, так и на поликристаллических образцах [25]. Среди КР-активных кристаллических соединений есть такие вещества, как алмаз, простые оксиды. Однако наиболее многочисленную группу кристаллов образуют сложные соединения с комплексными кислородсодержащими анионами. ВКР-активные колебания в этих соединениях обусловлены центрально–симметричными ("дыхательными") движениями ионов кислорода относительно центрального иона в квазимолекулярных группах [CO3], [NO3], [PO4], [ClO3], [WO4], [NbO6], [IO3], [BrO3], [SiO4], [NbO4], а также ионов водорода в группах [NH4].
В табл.4 сведены основные из обследованных в НЦЛМТ соединений и соответствующие им параметры КР. Измерены относительные интегральные и пиковые интенсивности и частоты КР, которые характеризуют величину частотного сдвига падающего излучения. Отметим большой разброс частот колебаний (от 250 до 1700 см-1) для материалов различного состава. Эти данные свидетельствуют, что имея набор из большого числа ВКР- кристаллов, можно осуществить дискретную перестройку частоты излучения лазера, сдвиг её в длинноволновую область спектра на величины, указанные в табл.4. Далее, из перечисленных кристаллов наиболее высокими значениями интегрального сечения рассеяния (600–900 см-1) обладают алмаз, а также соединения вольфраматов, молибдатов, ниобатов и иодатов. С другой стороны, порог и коэффициент усиления ВКР при накачке короткими нано- и пикосекундными импульсами определяются пиковыми значениями сечения рассеяния. По этому параметру выделяются (наряду с алмазом) кристаллы нитратов, вольфраматов и молибдатов. Дальнейший анализ показал, что наиболее предпочтительны кристаллы, обладающие одновременно высокими интегральными сечениями КР и малыми ширинами линий. В [25] показано, что значительный интерес представляют в этом отношении кристаллы вольфраматов и молибдатов щелочноземельных элементов. Учитывая, что уширение линий КР связано с взаимодействием высокочастотных ВКР- активных колебаний с решеточными фононными модами, необходимо снизить частоты этих мод, выбирая кристаллы с наиболее тяжелыми ионами в пределах гомологического ряда. Так, например, широко известный кристалл группы шеелита CaWO4 имеет ширину КР-линии Δν = 6,95 см-1. Замена ионов Ca2+ на ионы Sr2+ и Ba2+ позволила резко замедлить процессы релаксации и сузить линию КР до 1,63 см-1 (BaWO4). Увеличение ионного радиуса в ряду Ca2+, Sr2+, Ba2+ и параметров кристаллической решетки приводит также к росту частоты полносимметричных колебаний группы [WO4]. Оба эти фактора приводят к значительному повышению пикового сечения рассеяния и коэффициента ВКР-усиления. Аналогичные закономерности обнаружены и в гомологическом ряду щелочноземельных молибдатов (табл. 5). Впоследствии прогнозы, сделанные на основе исследования спонтанного КР, подтверждены прямыми методами измерения ВКР-усиления и ВКР-генерации. На рис. 4 приведены результаты по генерации последовательного ряда ВКР-компонент (вплоть до четвертой) на кристалле BaWO4 [26].
Сравнительный анализ возможностей спектрального преобразования лазерного излучения с помощью всех перечисленных выше способов приводит к следующим выводам:
В отличие от ВКР-преобразования, генерация гармоник обеспечивает сдвиг в коротковолновую часть спектра, причем для всех кристаллов смещение кратно частоте основной гармоники. Это означает, что преобразование гармоник не может обеспечить спектрального разнообразия, свойственного ВКР- преобразованию. Тем не менее, сдвиг в сторону синей и ближней УФ-части спектра сам по себе весьма актуален, так как эта часть спектра бедна лазерными частотами.
ВКР-преобразование по сравнению с ПГС обладает:
более высокой квантовой эффективностью;
более высокой стабильностью энергетических параметров;
высокой пространственной однородностью излучения; отсутствием наведенного двулучепреломления.
Сочетание лазеров с фиксированной частотой, а также перестраиваемых лазеров с ВКР- и другими нелинейно- оптическими преобразователями позволяет максимально плотно перекрыть ближнюю УФ-, видимую и ближнюю ИК- области спектра и предоставляют богатый набор лазерных длин волн для создания спектрально – позиционированных источников излучения с требуемыми параметрами.
Твердотельные лазеры среднего ИК- диапазона длин волн
Уже в 1974 году были созданы лазеры на иттрий- эрбий-алюминиевом гранате, генерирующие на длине волны 2,94 мкм [27]. Однако дальнейшее продвижение в средний ИК-диапазон на некоторое время затормозилось. Причина этого крылась в фундаментальных процессах преобразования энергии электронных возбуждений в твердых основах с редкоземельными примесями. Дело в том, что при уменьшении энергии электронных переходов в редкоземельных ионах повышается вероятность многофононной безызлучательной релаксации: в результате взаимодействия электронных переходов одновременно с несколькими фононами кристаллической решетки переход в нижнее состояние оказывается потушенным. Природа и закономерности безызлучательной релаксации изучаются в течение нескольких десятилетий. В [28] впервые сформулирован закон энергетического зазора, устанавливающий логарифмическую связь вероятности тушения с величиной энергетического зазора. Давно также стало очевидным, что тушение за счет многофононной релаксации уменьшается при переходе к основам с широким "окном" пропускания электромагнитного излучения, что является свидетельством малых энергий фононов. Однако на практике дело оказалось значительно сложнее. Было установлено, что в кристаллических основах с равными максимальными энергиями фононов вероятность тушения может различаться на несколько порядков величины [29]. В [30, 31] разработана нелинейная теория многофононной релаксации, которая показала, что вероятность многофононной релаксации сложным образом зависит от многих факторов: от величины энергии перехода, от энергии эффективного продольного оптического фонона, от величины матричного элемента межмультиплетного перехода, от радиуса катиона кристаллической решетки. Экспериментальные результаты оказались в согласии с выводами теории. Основываясь на полученных результатах, были выбраны наиболее перспективные кристаллические основы и активные РЗЭ-ионы и синтезированы соответствующие лазерные кристаллы. Были синтезированы и исследованы кристаллы различных фторидов, хлоридов, сульфидов и селенидов – элементов первой, второй и третьей групп Периодической системы с примесями неодима, празеодима, диспрозия, эрбия. Наиболее значительные результаты были получены на кристаллах сложных халькогенидов, среди которых отметим кристаллы тиогаллата свинца с примесью диспрозия – PbGa2S4-Dy3+ и PbGa2S4-Dy3+–Na1+. Генерация была получена на двух переходах иона Dy2+ 6H11/2→6H13/2 и 6Н9/2→6Н11/2, т.е. по каскадной схеме. Накачка осуществлялась лазером ИАГ – Nd3+ при длине волны генерации 1,38мкм. При этом использовалась продольная схема накачки. На рис.5 приведена схема уровней иона Dy3+ в PbGa2S4. Измерение времен жизни уровней 6Н9/2, 6Н11/2 и 6H13/2 показали, что они равны 160 мкс, 2 мc и 5,6 мс соответственно, что означает, что лазерные переходы 6H11/2→6H13/2 и 6Н9/2→6Н11/2 являются самоограниченными. Генерация развивается сначала на переходе 6H11/2→6H13/2, а затем – при повышении энергии накачки – и на переходе 6Н9/2→6Н11/2. На рис. 6 приведены спектры люминесценции и спектры генерации. Видно, что достигается одновременная генерация на шести линиях (3 – в области 4,3–4,7 мкм и 3 – в области 5,2–5,5мкм). Длительность импульсов генерации достигает 1,5 мс. Энергия импульсов 15 мДж при дифференциальном КПД – 4%. [32, 33].
Поиски новых материалов для лазеров среднего ИК-диапазона интенсивно продолжаются в настоящее время. При этом синтезируются и исследуются как кристаллические, так и стеклообразные материалы.
Таким образом, многолетние усилия НЦ ЛМТ позволили существенно расширить "палитру" длин волн генерации твердотельных лазеров.
Литература
Фабрикант В.А. – Труды Всесоюзного электротехнического института, 1940, т. 41, стр. 236.
Фабрикант В.А. – ЖЭТФ, 1961, т. 41. № 2 (8) с. 524 – 527.
Басов Н.Г., Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1954, т. 27, вып. 4 (10), с. 431.
Gordon J.P., Zeiger H.J. and Townes C.H. – Phys. Rew., 1954, v. 95, p. 282.
Басов Н.Г., Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1955, т. 28, вып. 2, с. 249.
Бломберген Н. – Phys. Rew., 1956, v. 104. p. 324.
Прохоров А.М. – ЖЭТФ, 1958, т. 34, вып. 6, с. 1658.
Шавлов Л.Л. и Таунс Ч. – Phys. Rew., 1958, v. 112, № 6, p. 1940–1949.
Мейман Т. – Nature, 1960, 06 august, 187, 493 –494.
Батыгов С.Х., Микаэлян Р.Г., Осико В.В., Фурсиков М.М., Удовенчик В.Т. – Неорг. материалы, 1967, т. 3, № 5, с. 760.
Степанов И.В., Феофилов П.П. – Доклады Академии наук СССР, 1956, т. 108, с. 615.
Осико В.В. – В кн.: Рост кристаллов. – М.: Наука, 1965, вып. 5, с.373.
Осико В.В. – ФТТ, 1965, т. 7, № 5, с. 1294.
Воронько Ю.К., Осико В.В. – Неорг. Материалы. (Письма в редакцию), 1967, т. 3, № 2, с. 413.
Voron’ko Yu.K., Osiko V.V., Sobol A.A. – In: Crystals. Growth, Properties, and Applications/ Ed. by HC Freyhardt. –Berlin: Heidelberg, New York, Tokyo. Springer Verlag, 1984, v.10, p. 37.
Осико В.В., Щербаков И.А. – ФТТ, 1971, т. 13, с. 983.
Воронько Ю.К., Осико В.В., Прохоров А.М., Щербаков И.А. – Труды Физического института АНСССР, 1972, т. 60, с. 3.
Воронько Ю.К., Каминский А.А., Осико В.В., Прохоров А.М. – Неорг. материалы, 1966, т. 2, № 7, с. 1161.
Басиев Т.Т., Жариков Е.В., Осико В.В. – В кню:Базовые лекции по электронике/Под ред. В.М. Пролейко – М.: Техносфера, 2009, с. 357.
Basiev T.T., Mirov S.B., Osiko V.V. – IEEE Journ. Of Quantum Electronics, 1988, v. 24, №6, p.1052.
Басиев Т.Т., Воронько Ю.К., Миров С.Б., Осико В.В., Прохоров А.М. – Известия АНСССР, Сер. физич., 1982, т. 46, № 8, с. 1600.
Басиев Т.Т. – Успехи физических наук, 1999, т. 169, с. 1149.
Basiev T.T., Zharikov E.V., Osiko V.V. – Crystallography Rep., 2002, v. 47, suppl.1, p.15.
Basiev T.T.,Osiko V.V., Prokhorov A.M., Dianov E.M. – Top. Appl. Phys., 2003, v. 89, p. 35.
Басиев Т.Т., Осико В.В. – Успехи химии, 2006, т. 75, № 10, с. 939.
Basiev T.T., Basieva M.N., Doroshenko M.E., Fedorov V.V., Osiko V.V., Mirov S.V. – Laser Phys. Letter, 2006, v. 3, p. 17.
Жариков Е.В., Жеков В.И., Кулевский Л.А., Мурина Т.М., Осико В.В., Прохоров А.М., Савельев А.Д., Смирнов В.В., Стариков Б.П., Тимошечкин М.И. – Квантовая электроника, 1974, т. 1, № 8, с. 1867.
Riseberg L.A., Moos H.W. – Phys. Rev., 1968, v. 174, p. 429.
Орловский Ю.В., Басиев Т.Т., Пухов К.К. – ЖЭТФ, 2008, т. 133, № 4, с. 763.
Basiev T.T., Orlovskii Yu.V., Pukhov K.K., Sigachev V.B., Doroshenko M.E., Vorob’ev I.N. – Journ. of Luminescence, 1996, v. 68, p. 241.
Orlovskii Yu.V., Basiev T.T., Pukhov K.K., Doroshenko M.E., Badikov V.V., Badikov D.V., Alimov O.K., Polyachenkova M.V., Dmitruk L.N., Osiko V.V., Mirov S.V. – Optical Materials, 2007, v. 29, p. 1115.
Doroshenko M.E., Basiev T.T., Osiko V.V., Badikov V.V., Badikov D.V., Jelinkova H., Koranda P., Šulc J. – Optical Letters, 2009, v. 34 (5), p. 590.
Басиев Т.Т., Дорошенко М.Е., Осико В.В., Бадиков В.В., Бадиков Д.В., Панютин В.Л., Шевырдяева Г.С. – Квантовая электроника, 2010, №7, с. 596.
History
In the middle of June, 1961 one of the article authors was called to the office of N.G. Basov, Deputy Director of P.N. Lebedev Physical Institute (PIAS), correspondent member of the Academy of Sciences of the USSR. Nikolai Gennadyevich gave assignment to organize the new department as a part of PIAS, the Single Crystals Department which had a task of searching and obtaining the crystals for lasers. This new term had just appeared in the dictionary, year ago the article of T.H. Maiman was published in Nature (June, 1960) where the ruby optical quantum generator was described. After week of thinking and doubting N.G. Basov was given consent, and on June 30th the order of organization of the Single Crystals Department in PIAS was issued. Since then and up till now this subdivision has been changing its name and status many times but it has kept the obtaining and studying of laser materials and later the creation of lasers as the main research area.
Therefore, the RC LMT has practically the same age as lasers. Before passing on to the description of problems of the laser physics and laser technologies which were successfully solved in the RC LMT over the past decades, we will briefly remember the history and first steps of lasers.
In 1964 Charles Townes, American scientist, and N.G. Basov, A.M. Prokhorov, Russian scientists, received the Nobel Prize in physics "For the fundamental research works in the area of quantum electronics which led to the creation of radiators and amplifiers on the maser-laser basis". They defined the necessary and sufficient conditions of the induced coherent radiation and practically implemented it. Such conditions are the availability of active medium, method of its establishment and availability of the positive feedback for the transformation of amplifier into generator. Some considerations of the capability of amplifier and coherent radiation sources creation were expressed earlier. Thus, it is commonly assumed that the concept of induced radiation was postulated by A. Einstein in 1916. We did not have assignment to dispute this statement but we note that it will be more precisely to say about the generalizing by him of already existing concept for the quantum mechanical system.
He postulated that the transitions from higher energy state to lower energy state can happen not only spontaneously but also by force under the impact of other quantum which comes from outside and has energy equal to the transition energy. As a result, two quanta of radiation – inductive and induced – leave the spot. It is important that both of them propagate in the direction in which the inductive radiation propagated, and at the same time they turn out to be identical, in other words, they have the same energy, emission wave length and polarization. Later S. Bose and A. Einstein (1924) and then P.A.M. Dirac (1927) developed theoretical concepts of the radiation processes and light absorption. As a result, existence of the induced radiation and complete identity (indistinguishability) of these radiation quanta were well grounded including the electromagnetic wave phase (so-called radiation coherence).
Therefore, the concept of induced radiation is one of the foundation stones of quantum electronics and laser physics.
In 1939 V.A. Fabrikant defended the doctoral thesis at P.N. Lebedev Physical Institute; full text of this thesis was published in the Proceedings of All-USSR Electronic Technical Institute [1].
In 1951 he received the Patent No. 123209 on "Method of amplification of the electromagnetic radiation in the ultraviolet, visible, infrared and radio-spectral regions". The amplification effect was obtained experimentally [2].
The fundamental possibility of molecular generator creation was indicated in paper [3]. The paper was received by the editorial staff on January 19th, 1954. In May, 1954 the article [4] was received by the editorial staff of Phys. Rew.; the article, where the creation of maser-molecular generator on NH3 molecules was reported, was published in July, 1954.
Obviously, after the triumphal completion of works on masers the issue of electromagnetic oscillation propagation towards the visible spectrum or the issue of creation of lasers – the sources of coherent radiation of optical range – arose. When scientists describe the history of laser creation they always note that the main obstacle of propagation from the radio- to optical range is the sharp increase of probability of spontaneous transitions, and because of it the obstacles of inverted population achievement and impossibility to implement the positive feedback using known methods arise.
In paper [5] (it was received by the editorial staff on November 1st, 1954) N.G. Basov and A.M. Prokhorov published the idea of generating the inverted population not through the selection of excited and unexcited molecules in the molecular beams but through the influence of outer electromagnetic radiation of the resonance frequency on molecules. This method, which later received the title of "three levels method", makes it possible to achieve the inverted population in any multilevel system despite the quantum energy value [5]. Later the same idea was expressed by N. Bloembergen [6]. Now the method of three levels underlies the operation of all lasers with so-called optical pumping. The second obstacle which consists in the absence of appropriate resonators for the optical range is also successfully removed. The problem was that cavity resonators which were widely used in the radio physics could not be applied in optics because the dimensions of cavity resonator had to be commensurable with the generated radiation wave length. As is known, optical range wave lengths are about 1 micrometer which made the usage of cavity resonators absolutely senseless at that time. In 1958 A.M. Prokhorov suggested using the pair of flat plates – mirrors as so-called open resonator [7].
Such pair of mirrors was used earlier in optics as widespread instrument, so-called Fabry-Pérot interferometer but for completely different purposes. Several months later the idea of open resonator was expressed in paper [8] by L.L. Shavlov and C. Townes. The creation of open resonator removed the last restriction of propagation to the optical spectral region and, in essence, finished the laying of foundation for the laser physics. Nevertheless, the optical range lasers appeared several years later. As it was mentioned above, the first ruby crystal laser was created in the USA in 1960 [9].
The problem was that for the breakthrough into the optical range region besides the parameters listed above the fulfillment of one more condition was necessary – the transition to completely new technologies which have existed neither in the USSR, nor other countries including the USA, was required at that time.
It was necessary to organize the search of new materials and in all conceivable aggregate states – solid (crystals and glasses), liquid, gaseous and plasma states – which had the energy level schemes, appropriate for the generation; the development of methods of obtaining such materials was required. Herewith, very high demands were made of the chemical purity and structural homogeneity of materials, much higher than the demands which existed earlier. Besides, it was necessary to develop and implement methods of the precision mechanical processing of new materials, for example, to develop methods of optical surfaces polishing with the unprecedented high class accuracy, strict parallelism and high flatness. It was necessary to create the radiation sources for the optical pumping, new methods of precision mirrors sputtering. Other elements followed these elements of technology: the creation of new processing equipment, ultrapure reagents, methods and devices for control of the physical parameters of materials and many other absolutely essential "details" which so-called high technology consists of. In essence, it was necessary to create the branched research and manufacturing infrastructure without which the creation and implementation of lasers would be impossible.
In record short time, during one decade, in the USSR the network of new institutes, design-engineering departments and factories were opened; professional community in the laser technology and related areas was trained. As a result, within a short period of time the USSR along with the USA turned into one of two laser superpowers.
Over the last 50 years the history of lasers has been enriched with many great achievements. New types of lasers were created; many practical applications were grounded and developed in medicine, materials processing technology, information processing and transfer, instrument engineering, ecology and many other areas.
Today lasers are the basis of photonics – modern area of technology, generation and transformation of light and other electromagnetic radiations; photons are the quanta of this type radiation. In recent years the development of this area has obtained the explosive behavior and became the competition subject between the most developed countries of the world.
Since the first laser was made on the ruby crystal our attention is focused on the dielectric crystals and glasses which contain the ions of rare-earth and transition elements as active impurities. Besides, it became obvious that these laser materials have a number of fundamental merits and advantages which particularly are:
high concentrations of active species reaching the value of 1023 cm-3;
correct ordered packing of ions (atoms, molecules) is typical for the crystals, it leads to the structural and energetic degeneracy, and results the narrow resonances and large peak values of absorption cross-sections and photon emission and high values of nonlinear optical coefficients;
wide variety of compositions and structures of crystals and glasses, particularly, large variety of combinations of different crystal and glass-like bases and active impurities.
During the first years N.G. Basov was supervising the work of Single Crystals Department. However, soon Nikolai Gennadyevich and his coworkers switched over to the semiconductor lasers. On the other hand, A.M. Prokhorov was still interested in the dielectric laser crystals. Gradually, the Single Crystals Department started moving towards the area of scientific interests of the PIAS oscillation laboratory; A.M. Prokhorov was the head of this laboratory. In 1968 the department was transformed into the subdivision of the oscillation laboratory and since then it has been under the direction of A.M. Prokhorov sequentially being transformed into the laboratory, department and at last into the Research Center of Laser Materials and Technologies; it has this status even at the present time.
From the very beginning of its existence the subject area of the Center was being formed on the basis of complete cycle: searching and obtaining of the laser crystals and glasses, studying of their spectral and spectrally kinetic properties, obtaining and analysis of generation. Such work organization was making it possible to include the feedback and according to the results of research correct the technology of laser materials thus reducing the time which was necessary for the achievement of desired result. Complex character of works in the Center was and is its distinctive feature.
Solid-State Lasers Generation Spectrums. Spectrally Positioned Lasers
The first success came after the obtaining of fluorite crystals and its fluoride analogs with the impurity of tri- and bivalent rare-earth ions. In 1965 the generation was obtained on CaF2–Sm2+, CaF2–Tm2+ and СaF2–Nd3+. Lasers on CaF2–Dy2+–Сe3+ got the special importance at that time. During certain period of time the lasers on these crystals which radiated on the wave of 2.36 µm were the most high-power continuous lasers. Their power reached 200 W. It is interesting that nobody in the world could reproduce the technology of these crystals [10].
Even before our works it has been found that the rare-earth ions form minimum two types of centers in the fluorite crystals which differ with the absorption and luminescence spectrums [11].
Explanation of this phenomenon is that the rare-earth ions can be located in crystal fields with different symmetry which causes the different value of energy-level splitting. Theoretical analysis given in papers [12, 13] shows that several types of structurally degenerated optical centers can be formed in the fluorite crystals; their relative concentration depends on the concentration of rare-earth ions and temperature of thermodynamic equilibrium. Herewith, the optical centers of cubic, tetragonal, rhombic (and in some cases trigonal) symmetry simultaneously coexist in crystals. As a result, due to the differences of the values of crystal splitting of the Stark levels the absorption and spontaneous emission spectrums of such crystals represent the superposition of spectrums of all optical centers listed above. When conducting the spectroscopic research of laser fluorite crystals with the rare-earth ions these conclusions were confirmed. Furthermore, it turned out that this phenomenon was typical for all types of crystals with the structurally degenerated optical centers – for the tungstates and molybdates, garnets, niobates, halogenides etc. (Fig. 1). In paper [14] this phenomenon was called the inhomogeneous splitting (by analogy with the term of inhomogeneous broadening). Generation experiments of the crystals with the inhomogeneous split spectrums testified that the frequencies which are typical for the centers of different structure can be observed in generation spectrums individually as well as simultaneously; it gave opportunity to vary in some limits of generation wave lengths at that stage introducing the changes into the technology of crystals or conditions of generation excitation. Special experimental methods were developed for the quantitative assessment of concentrations of the centers of different structures such as the method of concentration series and method of balanced equations [15, 17]. It should be noted that listed results became the precursor of so-called site spectroscopy which is the area of crystal spectroscopy actively developed in the world from the early eighties of the last century.
Developing the concept of inhomogeneous splitting of optical spectrums of crystals with the rare-earth ions we have reached the extreme case, case of structurally disordered crystals. The first such crystal was the yttrofluorite with neodymium. Yttrofluorite is the solid solution of YF3 in CaF2. This crystal is structurally disordered. The structural degeneracy of centers of certain types is removed and entering into its composition the rare-earth ions get into the infinitely various crystal fields. As a result, the spectrums of the rare-earth ions turn out to be inhomogeneous broadened and represent the set of wide bands which are very similar to the spectrums of laser glasses [18]. It should be noted that in these papers attention was paid to the convenience of laser crystals with the disordered structure for the semiconductor pumping. This idea is very actively developing nowadays.
During the several decades which have passed from the moment of new laser creation the arsenal of solid-state lasers has been enlarged with the several hundreds of various crystals and glasses with the rare-earth and transition elements as active impurities.
Generation spectrums of these laser materials are located in the visible, infrared (mostly) and closest ultraviolet spectral regions. In the midst of this multitude of generating materials only a few of them are actually used in the laser devices. Other materials which have very low energy characteristics are appropriate only for the laser effect demonstration. Crystals on which sufficiently effective solid-state lasers are created are given in Table 1. Few kinds of silicate and phosphate glasses with neodymium and erbium should be added to this list. There are also generation wave lengths in Table 1 but, as we see, their amount is very small. In the meanwhile, there are many important tasks which require the usage of lasers with strictly defined generation wave lengths for their solution. Let us remind of some of them.
There are so-called transmission bands in the atmosphere spectrum; these are the spectral regions where the atmosphere is transparent for the electromagnetic emission. As is known, one of such bands is located in the visible region of spectrum; due to this fact the life on Earth is possible. There are also such bands in the infrared spectral region, for example, close to 2 µm and in the range of 4-5 µm. The last region is interesting because the vibration spectrums of many molecules are located in it including such molecules which content in the atmosphere we would like to define and control. Particularly, these molecules are the molecules of halogen hydrides, carbon monoxide, nitrite oxide etc. Remote control of concentration of these molecules in atmosphere can be fulfilled through their excitation with the spectrally selective emission sources. Lasers which are irradiative on strictly designated wave lengths appropriate of the absorption spectrums of each molecule are needed for this, in other words, the spectrally positioned laser sources are needed.
Other example. The values of wave lengths of the strongest lines of absorption and luminescence of atoms of some metals are given in Table 2. These are so-called "analytical" spectral lines; very small concentrations of these metals are determined according to these lines using the spectral analysis methods. Spectrally positioned sources which are irradiant in the closest ultraviolet part of spectrum are also needed for the remote determination of small concentrations of metals in the atmosphere, water or soils, for example, for the purposes of ecological monitoring.
Spectrally positioned radiation sources are needed for the solution of extensive list of problems. Besides the areas of ecology, ground communication with the flying and space objects these sources are also necessary for the fiber optic communication systems, medical needs and for several other purposes (for example, for the creation of so-called sodium star [19]).
It should be emphasized that the width of lines in absorption spectrums of atoms, ions and molecules is 10-1-10-2 cm-1, in other words, the lines are very narrow. The radiation spectrums of majority of lasers are also narrow. Their typical values are 0.1–1 сm-1. Therefore, it is difficult to "tune" the laser source to the required absorption line.
The problem of creation of laser sources with strictly spectrally positioned radiation for the remote action on the atomic and molecular systems which have very narrow spectral resonances can be solved in two ways.
By the usage of lasers with the tunable generation frequency, in other words, by the usage of principle of the radiator tuning to the frequency of atoms and molecules resonance.
By the transformation of radiation of the existing lasers into the shorter-wave or longer-wave spectrum part in such a way for the spectrum of transformed radiation to correspond to the required wave length. And the radiation of monochromatic lasers can be transformed as well as the radiation of tunable lasers. The tuning of radiation wave length is performed through the crystals which have extremely intense nonlinear optical properties. Herewith, physical phenomena such as the transformation of harmonics are used at the expense of phase synchronism, parametric light generation (PLG) and induced combinational light scattering (ICS-transformation).
Crystals for the Tunable Lasers
The most effective crystals for the tunable lasers are given in Table 3. The crystals of two types are specified here. In the first type the laser active centers are formed by their own point defects, so-called color centers. In the second type they are formed by the impurity ions of transition elements of Cr2+, Cr3+, Cr4+, Ti3+, Co2+, Ce3+. In both cases the crystal luminescent spectrums represent wide (width of luminescence bands reach 1000 сm-1) unstructured or poorly structured bands; within their circuits the generation re-tuning can be accomplished.
LiF crystals have great importance among the listed crystals with the color centers (CC). This crystal has cubic structure and is not drying. It has high thermal conductivity which is higher than the thermal conductivity of yttrium-aluminium garnet. Besides, it has low value of the nonlinear refractive index (n2). Due to these properties the LiF crystal has high laser-damage threshold which is 3.6 GW/сm2 (under the wave length of 1.06 µm and pulse duration of 10 ns) and can be used in laser systems with high peak power. Disadvantages of the LiF crystals are the low mechanical characteristics.
Structures of the main types of color centers in the LiF are given in Fig. 2: F, F2 , F2+ и F2-. The foundation of CC structure is the vacancies of anions which have the effective positive charge and as a result the capability to localize electrons. Besides, the vacancies of fluorine are inclined to the aggregation into vapors and more compound associates under certain conditions. The most "laser-active" centers are F2 (pair of vacancies which caught 2 electrons); F2+ (pair with one electron) and F2- (pair with three electrons).
Over the last years the technologies which make it possible to obtain the photo- and thermally stable LiF crystals with CC have been created. Crystals have very high optical densities (absorption coefficients reach several inverse centimeters at the peaks of CC absorption bands) and high contrast, in other words, the ratio of useful CC absorption to the background absorption which reaches 20-40. LiF crystals of F2+ which are described in papers [20, 21] do not detect the degradation upon the optical pumping in the region of 620-750 nm under the densities up to ∼5 J/сm2. "Lifetime" of such crystals is 10 years under the temperature of 300 K. Coefficient of efficiency of such elements generation reaches 50% (under the optical pumping).
Absorption and luminescence spectrums of the main CC in the LiF crystals are given in Fig. 3. As the figure shows, it is possible to intercept the relatively wide spectral region using the same crystal with different CCs. Series of broad-band spectrometers of the visible and closest infrared range of MALSAN type were created on the basis of the LiF crystals with color centers; these spectrometers are successfully operated in many laboratories of the world.
ICS-Transformation of Laser Emission Spectrums
Over the last 30 years the usage of phenomenon of the induced combinational light scattering for the transformation of laser emission spectrums has developed a lot [22–24].
Papers of the last years indicated that ICS radiation can be moved to 50-80% of the laser emission which falls on the environment. Such high efficiencies transfer the ICS usage to the practical area; it will be possible to create the efficient spectral transformers for the laser radiators using this phenomenon. Crystal ICS-transformers have considerable advantage over the gaseous and liquid transformers. High densities of the substance provide with the most compact interaction of excitant light with the ICS-active material and high amplification coefficient, and the structure order amplifies the collective effect of interaction with the laser emission, reduces the effect threshold and leads to the increase of amplification coefficient and efficiency of the ICS transformation.
In connection with the growing interest to the ICS-active crystals the necessity of their wide search and comparative analysis arose. Over the recent years tens of the crystalline compounds has been studied. The main parameters of combinational scattering were evaluated according to the results of research of the spontaneous combinational scattering which can be held on single crystals as well as polycrystalline samples [25]. There are such materials as diamonds, simple oxides among the CS-active crystalline compounds. However, the complex compounds with complex oxygen-containing anions form the most numerous group of crystals. ICS-active oscillations in these compounds are caused by the central symmetrical ("respiratory") movements of oxygen ions relatively to the central ion in quasi-molecular groups of [CO3], [NO3], [PO4], [ClO3], [WO4], [NbO6], [IO3], [BrO3], [SiO4], [NbO4], and hydrogen ions in groups of [NH4].
The main compounds which were studied at the RC LMT and relevant parameters of CS are specified in Table 4. Relative integral and peak intensities and CS frequencies which define the value of frequency shift of the incident radiation are determined. Large variation of oscillation frequencies (from 250 to 1700 сm-1) for the materials of different composition should be noted. This data testifies that having the set of large amount of ICS-crystals it is possible to accomplish the discrete tuning of laser emission frequency, and its shift to the long-wave spectral region by the values specified in Table 4. Furthermore, diamond and compounds of tungstates, molybdates, niobates and iodates have the largest values of integrated cross-section of scattering (600-900 сm-1) among the listed crystals. On the other hand, threshold and coefficient of ICS amplification under the pumping with short nano- and picosecond pulses are determined by the peak values of scattering cross-section. According to this parameter the crystals of nitrates, tungstates and molybdates (along with diamond) stand out. Further analysis showed that crystals which simultaneously have high integrated cross-sections of CS and small lines width are the most preferential. It is shown in paper [25] that the crystals of tungstates and molybdates of the alkaline-earth elements represent considerable interest in this respect. Taking into account that the broadening of CS lines is connected with the interaction of high-frequency ICS-active oscillations with the lattice fonon modes it is necessary to decrease the frequencies of these modes selecting the crystals with the heaviest ions within the homologous series. For example, widely known crystal of scheelite series of CaWO4 has the width of CS line: Δν = 6,95 cm-1. The replacement of ions of Ca2+ by the ions of Sr2+ and Ba2+ made it possible to slow down the relaxation processes and narrow the CS line down to 1.63 сm-1 (BaWO4). The increase of ionic radius in the series of Ca2+, Sr2+, Ba2+ and parameters of the crystal lattice also leads to the increase of frequency of the group of totally symmetrical vibrations [WO4]. These two factors lead to the considerable growth of the peak scattering cross-section and ICS-amplification coefficient. Analogous regularities are revealed in the homologous series of alkaline-earth molybdates (see Table 5). Subsequently, the forecasts which were made on the basis of research of spontaneous CS are confirmed through the direct methods of determination of ICS-amplification and ICS-generation. The results of generation of the consecutive series of ICS-components (up to the fourth component) on the crystal of BaWO4 are specified in Fig. 4 [26].
Comparative analysis of capabilities of the spectral transformation of laser emission using all methods mentioned above leads to the following conclusions:
In contrast to the ICS-transformation, the generation of harmonics provides with the shift to the short-wave spectral region and for all crystals this shift is multiple of the frequency of fundamental harmonic. It means that the transformation of harmonics cannot provide with the spectral variety which is inherent to the ICS-transformation. Nevertheless, the shift towards blue and closest ultraviolet spectral region is very topical in itself because this spectral region is poor in relation to the laser frequencies.
In comparison with PLG the ICS-transformation has:
higher quantum efficiency;
higher stability of the energy parameters;
high spatial homogeneity of emission; absence of the induced birefringence.
Combination of lasers with the fixed frequency and tunable lasers with the ICS- and other nonlinear optical transformers makes it possible to intercept the closest ultraviolet, visible and closest infrared spectral regions to the maximum and provides with wide set of the laser wave lengths for the creation of spectrally positioned emission sources with the required parameters.
Solid-State Lasers of the Infrared Midrange of Wave Length
In 1974 the yttrium-erbium-aluminium garnet lasers which generated on the wave length of 2.94 µm were created [27]. However, the further propagation to the infrared midrange decelerated for a while. Reason was in the fundamental processes of energy transformation of the electron excitations in the solid bases with the rare-earth impurities. The matter is that upon the decrease of energy of the electron transitions in the rare-earth ions the probability of multiphonon radiationless relaxation increases; due to the simultaneous interaction of electron transitions with several phonons of the crystal lattice the transition to the lower state turns out to be quenched. Nature and regularities of the radiationless relaxation have been studied during several decades. In paper [28] the law of energy gap was defined for the first time; it determines the logarithmic connection of quenching probability with the value of energy gap. Also long time ago it became obvious that the quenching at the expense of multiphonon relaxation is decreased upon the transition to the bases with wide electromagnetic radiation transmission band which testifies of the small phonon energies. However, the reality is much more complicated. It was detected that the quenching probability can differ by the several orders of magnitude in the host crystals with equal maximum phonon energies [29]. In papers [30, 31] the nonlinear theory of multiphonon relaxation was developed; it showed that the probability of multiphonon relaxation depends on many factors in a complicated way, such as transition energy value, energy of the efficient longitudinal optical phonon, value of the matrix element of intermultiplet transition, radius of the crystal lattice cation. Experimental results turned out to be in agreement with the theory conclusions. On the basis of obtained results the most prospective host crystals and active rare-earth element ions were selected, and the relevant laser crystals were synthesized. The crystals of various fluorides, chlorides, sulfides and selenides (elements of the first, second and third groups of the periodic system with the impurities of neodymium, praseodymium, dysprosium, erbium) were synthesized and studied. The most significant results were received on the crystals of complex chalcogenides; crystals of lead tiogallate with the dysprosium impurity – PbGa2S4-Dy3+ and PbGa2S4-Dy3+–Na1+ – should be noted among them. Generation was obtained on two transitions of ions of Dy2+ 6H11/2→6H13/2 and 6Н9/2→6Н11/2, in other words, under the cascade circuit. The pumping was performed by the yttrium-aluminium garnet laser – Nd3+ upon the generation wave length of 1.38 µm. Herewith the longitudinal pumping scheme was used. The scheme of levels of the ion Dy3+ in PbGa2S4 is given in Fig.5. The determination of lifetime of levels 6Н9/2, 6Н11/2 and 6H13/2 showed that they are equal to 160 µs, 2 ms and 5.6 ms respectively which means that the laser transitions 6H11/2→6H13/2 and 6Н9/2→6Н11/2 are self-contained. Generation develops from the beginning upon the transition 6H11/2→6H13/2, and then (upon the increase of pumping energy) on the transition 6Н9/2→6Н11/2. Luminescence spectrums and generation spectrums are given in Fig. 3. It is obvious that the simultaneous generation on six lines is reached (3 – in the region of 4.3-4.7 µm and 3 – in the region of 5.2-5.5 µm). Generation pulse duration reaches 1.5 ms. Pulse energy is 15 mJ under the differential coefficient of efficiency of 4% [32, 33].
Search of new materials for the lasers of infrared midrange intensively continues at the present time. Herewith the crystalline as well as vitreous materials are synthesized and studied.
Therefore, long-term efforts of the RC LMT made it possible to broaden considerably the "palette" of wave lengths of the solid-state lasers generation.
Отзывы читателей
