Исследование спектральных свойств кристалла Tm:CaF2
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
Введение
В настоящее время существует интерес в поиске и исследовании новых твердотельных лазеров излучающих в области 2 мкм для различных применений. Большой интерес к данному диапазону обусловлен целым рядом обстоятельств. Прежде всего, двухмикронное излучение хорошо согласованно с пиком поглощения воды [1] и находится в безопасном для глаз диапазоне длин волн [2]. Благодаря этому лазеры, генерирующие в области 2 мкм, используются в лазерной хирургии. Результатом лазерного хирургического вмешательства является разрез или коагуляция мягкой ткани. В большинстве случаев именно способность лазерного излучения стимулировать свёртываемость крови (т.е. коагулировать) и определяет приоритет лазерного вмешательства.
Также в этом диапазоне длин волн лежат линии поглощения колебательных переходов некоторых молекул, поэтому двухмикронное излучение может применяться в исследовании окружающей среды, основанном на хорошо известной технике LIDAR, которая используются для анализа слоев атмосферы. [3].
Для получения генерации в области 1,9 мкм широко используются лазеры на кристаллах, легированных ионами Tm3+. [4] Достоинства этих лазеров определяются свойствами ионов Tm3+:
их можно накачивать в области 790 нм с помощью коммерчески доступных лазерных диодов.
они могут иметь очень высокий КПД около 40 - 50% за счет процесса кросс-релаксации между ионами Tm3+, который происходит в кристаллах с высокой концентрацией допирующего элемента. Процесс кросс-релаксации обеспечивает появление двух ионов на верхнем лазерном уровне на каждый квант поглощённой накачки [3].
Одними из наиболее широко используемых кристаллов являются, в частности, Tm3+:YAG и Tm3+:LiYF4 (Tm:YLF) Это определяется различными факторами, такими как оптическая стойкость и высокая теплопроводность (YAG), отрицательный термооптический коэффициент, приводящий к компенсации линзовых эффектов (для Tm:YLF), высокий КПД и отработанная процедура выращивания кристаллов [5-7].
Относительно новым, перспективным лазерным материалом является кристалл Tm3+:CaF2, сочетающий в себе преимущества кристалла YAG (высокая оптическая стойкой и теплопроводность) и кристалла YLF (отрицательный коэффициент теплового изменения показателя преломления), при этом кристалл Tm3+:CaF2 является изотропным [3].
Целью настоящей работы являлось исследование спектральных свойств кристалла Tm:CaF2, а также определение возможности получения генерации на кристалле Tm:CaF2 в области 2 мкм в схемах лазеров с продольной диодной накачкой.
1. Физические свойства кристалла
Достоинство кристалла Tm: CaF2 в высокой прозрачности в ультрафиолетовой и далекой инфракрасной спектральных областях (от 0.15 до 9 мкм). Кроме того, с помощью стандартных методов, таких как метод Бриджмана - Стокбаргера, достаточно легко вырастить кристаллы отличного оптического качества и больших размеров. Кубическая структура решетки CaF2 хорошо подходит для создания подложек для тонкопленочной эпитаксии. Это применимо для получения высококачественных оптоволокон. Ранее для выращивания тонких пленок CaF2 допированных редкоземельными ионами на подложках CaF2 использовалась молекулярно пучковая эпитаксия (MBE). Кроме того, допирование CaF2 трехвалентными редкоземельными ионами приводит к широкой линии поглощения, пригодной для накачки лазерами диодами с термоэлектрическим контролем и широкой линией излучения, дающей преимущество в том, что можно получить перестраиваемый лазер в широком диапазоне и короткоимпульсные лазеры [3].
В данной работе было проведено исследование лазерного кристалла Tm: CaF2, который является очень перспективным благодаря своим спектральным и физическим характеристикам: кристалл изотропный, имеет высокий коэффициент теплопроводности, а высокий коэффициент теплового расширения компенсируется отрицательным коэффициентом температурного изменения показателя преломления.
В таблице 2.1 представлены физические свойства широко используемых кристаллов Tm3+:YAG, Tm3+:YLF и исследуемого Tm: CaF2.
СвойстваYLFYAGCaF2Химическая формула кристаллаYLiF4Y3Al5O12CaF2Удельная теплоемкость, с790 Дж/(кгК)590 Дж/(кг K)854 Дж/(кг K)Теплопроводность, q6,3 Вт/(мК)14 Вт/(м К)9.71 Вт/(м K)Коэффициент теплового расширения, aT8,310-6 К-1 (||c) 1310-6 К-1 (c)6.910?6 K?118.5 x 10-6 K?1Показатель преломления, nno=1.464 (l 2 мкм) ne=1.442 (l 2 мкм)1.8 (l 2 мкм)1.4335 (l 2 мкм)Диапазон пропускания0,1-7,5 мкм0.25 - 5.0 мкм0.15 - 9 мкмПолоса усиления1,9 - 2 мкм1,9 - 2 мкм1,8 - 2 мкмТермооптическая постоянная, -4.310-6 К-1 (E||c) -210-6 К-1 (Ec)7.310?6 K?1-10.6 x 10-6/K
Рис. 2.1. Структура элементарной ячейки кристаллов типа флюорита
В качестве активных материалов оптических квантовых генераторов (ОКГ) в настоящее время применяются следующие фториды щелочноземельных материалов: CaF2 (Nd3+, Ho3+, Tm3+) и т.д. Эти фториды имеют кубическую структуру типа флюорита С1. Пространственная группа O5h - Fm3m, элементарная ячейка содержит четыре молекулы. Катионы координированы восьмью ионами фтора, расположенными в вершинах куба; ионы фтора - четырьмя катионами, образующими тетраэдр (рис. 2.1). Параметры кристаллической структуры и ионные радиусы флюорита даны в табл. 2.2.
Таблица 2.2
СоединениеИонный радиус, Период элементарной ячейки, Расстояние между ионамиCaF21,045,452,36
Ионы редкоземельных элементов легко входят в решетку фтористого кальция благодаря хорошему совпадению значений ионных радиусов. Ионный радиус Са2+ в CaF2 равен 1,04 , а ионные радиусы редкоземел