автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование влияния структурного несовершенства кристаллов ванадатов редкоземельных элементов на их генерационные характеристики в лазерах с полупроводниковой накачкой

На правах рукописи

Орлова Галина Юрьевна

Исследование влияния структурного несовершенства кристаллов ванадатов редкоземельных элементов на их генерационные характеристики в лазерах с полупроводниковой накачкой

05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Москва 2013 г.

005534085

Работа выполнена в ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»

Научный руководитель:

Кандидат технических наук

Наумов Валентин Сергеевич,

ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук

Прядеин Владислав Андреевич,

ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»

Ведущая организация:

Кандидат физико-математических наук, доцент Брославец Юрий Юрьевич, Московский физико-технический институт (Государственный университет)

Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Защита состоится 24 октября 2013 года на заседании диссертационного совета Д 409.003.01 при ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» (117342 г. Москва, ул. Введенского, д. 3) в 15.00 часов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»

Автореферат диссертации разослан «¿Ъ » сентября 2013 г.

Актуальность темы

Современные твердотельные лазеры и устройства на их основе применяются в оптической связи и навигационных системах, лазерной медицине и биотехнологиях, металлургической промышленности и военной технике, и других отраслях науки и техники.

К особенностям современной техники относятся высокая надежность и миниатюрность исполнения технических устройств. Проблему уменьшения габаритов лазерных устройств и снижения их энергопотребления можно решить путем использования миниатюрных источников излучения на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой, так как ламповая накачка не даёт должного КПД, а сами полупроводниковые лазеры не обеспечивают нужного качества излучения.

Наиболее интенсивно в настоящее время исследуются кристаллы ванадатов иттрия и гадолиния, применяемые в качестве активных сред твердотельных лазеров с диодной накачкой.

Ванадаты иттрия и гадолиния имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно применяемым иттрий-алюминиевым гранатом (ИАГ):

- большое значение сечения поглощения ванадатов иттрия и гадолиния, которое в 9 раз больше, чем у ИАГ;

- значение сечения индуцированного перехода ванадата иттрия в 5 раз превышает значение для ИАГ, а ванадата гадолиния почти в 3 раза превышает значение для ИАГ;

- теплопроводность ванадатов иттрия и гадолиния сравнима с теплопроводностью ИАГ.

Кроме кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, легированных ионами Ш3+, в качестве активных сред могут применяться кристаллы смешанных ванадатов редкоземельных элементов, такие как: УхОс1|-х\Ю4, УхЬш.хУОд, УхУЬьхУОд, У^-ЛЮд.

Цель н задачи работы

Применение кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных металлов в качестве активных элементов в лазерах с полупроводниковой накачкой накладывает определенные требования на их качество, так как оно в значительной степени влияет на их генерационные параметры.

В настоящее время в литературе практически нет данных по исследованию качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов РЗЭ рентгеновскими методами и отсутствуют сведения о связи структурного несовершенства активных элементов из ванадатов РЗЭ с их генерационными характеристиками.

Поэтому исследование качества кристаллических активных элементов из ванадатов РЗЭ и влияние структурного несовершенства кристаллов на генерационные параметры лазеров с полупроводниковой накачкой представляет научный и практический интерес. Решению этих проблем посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью данной работы является:

1. исследование качества монокристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов рентгеновскими методами;

2. изучение влияние структурного несовершенства активных элементов на генерационные характеристики; разработка методики прогнозирования генерационных параметров кристаллов на основе исследования их структурного несовершенства;

3. исследование влияния кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ (УУ04:Ш3+, 0(1У04:Ш3+, У*Ос}[-ЛЮ4:Ш3+, УхЗо-хУО^Ш3^) на эффективность генерации.

Научная новизна полученных результатов

Экспериментально установлена взаимосвязь между структурным несовершенством кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, и смешанных ванадатов иттрия-гадолиния и их генерационными характеристиками. Впервые получена зависимость эффективности генерации исследованных кристаллов от их структурного несовершенства.

- Исследовано влияние кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ на эффективность генерации. Наблюдается взаимосвязь между ретикулярной плотностью кристаллографических плоскостей и эффективностью генерации по соответствующим направлениям.

- Впервые исследованы структурное несовершенство кристаллов УхЭс^хУОд рентгеновскими методами, получены их генерационные характеристики.

Практическая значимость работы

- Проведенные исследования генерационных характеристик активных элементов из У\Ю4:Кс13+ вдоль кристаллографических направлений [100], [110] и [001] позволили установить, что наиболее привлекательным с точки зрения эффективности генерации являются кристаллографические направления [100] и [110].

- Рентгеновские исследования структурного несовершенства кристаллов УУС>4:Ш3+, начиная с выращенной були и заканчивая активным элементом, позволили установить критерий отбора заготовок из кристаллов для изготовления активных элементов. Таким критерием может быть кривая качания кристалла, полученная с помощью рентгеновского дифрактометра. По полуширине кривой

качания и ее виду можно определить степень структурного несовершенства кристалла.

- Сравнение генерационных характеристик активных элементов из кристалла У\Ю4:Ш3+ со степенью их структурного несовершенства (по величине полуширины кривой качания, полученной в рентгеновских исследованиях активных элементов) позволило установить определенную зависимость между этими параметрами. Эта зависимость дает возможность прогнозировать генерационные характеристики кристаллов по рентгеновским исследованиям их качества без изготовления активных элементов и проведения экспериментов по лазерной генерации, что намного упрощает и удешевляет процесс получения качественных активных элементов из кристаллов УХ/С^К'с!3*. Несмотря на то, что метод исследования структурного несовершенства кристаллов с помощью рентгеновского дифрактометра известен достаточно давно, сравнительные исследования по связи генерационных характеристик со структурным совершенством для кристаллов У\Ю4:Ш3+ (а также других активных кристаллов) не проводились. Такая зависимость получена впервые.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведение исследований и отработка метода контроля качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов с помощью рентгеновского дифрактометра.

2. Результаты исследований эффективности генерации лазерного излучения в активных элементах из ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов в зависимости от кристаллографической ориентации активных элементов и направления поляризации излучения.

3. Результаты исследований влияния качества кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов на эффективность генерации лазерного излучения.

Надежность и достоверность

Достоверность результатов основана на статистической значимости большого числа исследований и многократной повторяемости результатов, В работе было исследовано более 50 кристаллов и получено свыше 500 кривых качания. Исследования влияния качества кристаллов на эффективность генерации лазерного излучения проведено более чем на 100 образцах с различной кристаллографической ориентацией.

Личный вклад автора Автор принимал участие в постановке задач исследований, самостоятельно проводил эксперименты по исследованию структурного несовершенства кристаллов ванадатов РЗЭ, и по исследованию лазерных параметров активных элементов из этих

кристаллов, проводил теоретические расчеты и анализ экспериментальных результатов.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на: XLVII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва -Долгопрудный, 26 - 27 ноября 2004 г.), 3-й Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, 20 - 26 ноября 2006 г.), 8-й Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 5-8 октября 2009 г.), The 16 international conference on crystal growth (ICCG-16) August 8 - 13, 2010, Beijing, China, 15-й Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 25 - 29 июня 2012 г.)

Публикации по теме диссертации

По результатам диссертационной работы опубликовано 9 работ (4 статьи в научных журналах из списка ВАК и 5 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций)

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 183 страницы, 143 рисунка, 26 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определены цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, показана надежность и достоверность результатов, приведены данные о структуре и объеме диссертации, основных публикациях и апробации работы.

В первой главе приведены результаты анализа литературных данных по исследованию свойств ванадатов редкоземельных элементов и их применения в лазерах с полупроводниковой накачкой. Рассмотрены основные схемы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Приведена кристаллическая структура ванадатов редкоземельных элементов. Описаны основные методы выращивания ванадатов редкоземельных элементов, а именно: метод Чохральского; метод EFG (edge-defined film fed growth — метод выращивания кристаллов с ограничением края и подпиткой расплава); метод выращивания кристаллов из раствора в расплаве, метод зонной плавки.

Рассмотрены физические и оптические свойства ванадатов редкоземельных элементов. Приведены спектроскопические параметры ванадатов редкоземельных элементов, легированных ионами неодима. Изучена оптимальная концентрация ионов

неодима в кристаллах ванадатов редкоземельных элементов. Рассмотрены генерационные характеристики ванадатов редкоземельных элементов, активированных ионами неодима.

Вторая глава посвящена изучению влияния структурного несовершенства кристаллов ванадата иттрия на их генерационные характеристики. Исследования структурного несовершенства кристаллов проводилось на рентгеновском дифрактометре общего назначения «ДРОН-3». Для исследования использовалось CuKai - излучение. Кривую зависимости интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения от угла поворота образца вокруг максимума интенсивности называют кривой качания. Характерным свойством кривой качания является полуширина максимума интенсивности. По величине полуширины кривой качания определяется степень структурного несовершенства кристалла. Была рассчитана полуширина кривых качания идеального кристалла ванадата иттрия. В однокристальной геометрии рентгенооптической схемы минимальная аппаратная полуширина кривой качания равняется 1,6 угловым минутам. Если в кристалле присутствуют блоки, то на кривой качания каждый блок последовательно дает кривую, сдвинутую на угол разориентации блоков друг относительно друга. По уширению кривой качания можно судить о степени мозаичности монокристалла, т.е. о степени разупорядоченности кристаллической решетки исследуемого материала Всего в процессе работы над диссертацией было изучено более пятидесяти кристаллов.

Коэффициент потерь излучения на длине волны генерации 1064 нм широко используют для характеристики оптического качества конкретного лазерного элемента или при сравнении оптического качества кристаллических буль. Этот параметр зависит от химического состава кристалла, состава примесей в исходных реактивах, атмосферы выращивания, скорости выращивания. Например, согласно требованиям компании COHERENT (США), коэффициент потерь излучения на длине волны генерации 1064 нм должен иметь величину 0.2 - 0.4% / см для маломощных лазеров. Все изученные кристаллы и активные элементы этим требованиям соответствовали.

Оптические и спектральные характеристики активных элементов из кристаллов YVO4 практически не отличались друг от друга и не позволяли заранее определить, какие кристаллы будут обладать большей эффективностью и меньшим порогом генерации.

Рентгеновские исследования показали, что кристаллы ванадата иттрия были разного качества. По структурному несовершенству они были разделены на три группы: кристаллы 1 группы - те, у которых полуширина кривой качания не

превышает 4 угл.мин.; кристаллы 2 группы - те, у которых полуширина кривой качания составляет от 4 до 6 угл.мин.; и кристаллы 3 группы - те, у которых полуширина кривой качания свыше 6 угл.мин.

На рис. 1 и 2 представлены типичные кривые качания кристаллов УУС>4:Ш3+ разного качества для разных групп.

Рисунок 1. Типичные кривые качания активных элементов из УУС>4:Ш3+

Рисунок 2. Типичные кривые качания активных элементов из УУ04^с13+

Одной из целей работы являлось определение зависимости эффективности генерации от кристаллографического направления, поэтому из исследованных кристаллов были изготовлены активные элементы форме кубиков размером 5x5x5 мм3 и сориентированы таким образом чтобы грани соответствовали кристаллографическим плоскостям (110) или (100) и (001).

Такая ориентация активных элементов была сделана для того, чтобы сравнить эффективность генерации по разным кристаллографическим направлениям на одном и том же элементе, чтобы исключить влияние других параметров.

Эксперименты по исследованию генерационных характеристик активных элементов из ванадата иттрия УУС^Ш3"1" в непрерывном режиме проводились на установке, представленной на рис. 3.

з 4 *

1 - Лазерный диод; 2 - Оптический световод; 3 - Фокусирующая оптика; 4 - Глухое и выходное (13%) зеркала плоскопараллельного оптического резонатора; 5 - Активный элемент; 6 - Охлаждающая система; 7 -Фильтр, отсекающий излучение накачки; 8 - Приемник излучения.

Рисунок 3. Схема исследований генерационных характеристик активных элементов.

Лазерный диод генерировал излучение в непрерывном режиме с максимальной мощностью 16 Вт на длине волны X = 808 нм с волоконным выводом. Излучение накачки фокусировалось в активном элементе в пятно диаметром 100 мкм. Выходное зеркало на длине волны генерации имело коэффициент пропускания 13%. Излучение генерировалось в одной поперечной моде ТЕМоо. Относительная ошибка при измерении генерационных параметров составляла ± 10%.

Эксперименты показали, что на всех элементах эффективность генерации по направлениям [100] и [110] выше в ~ 1,5-3 раза, чем по направлению [001].

На рис. 4 (а) приведены типичные зависимости генерационных характеристик элементов разного качества от поглощенной мощности накачки по направлениям [100] и [110]. На рис. 4 (б) приведены типичные зависимости генерационных характеристик элементов от поглощенной мощности накачки по направлению [001].

Рисунок 4. Типичные зависимости мощности излучения активных элементов из УУ04:Ш3+ от поглощенной мощности накачки по направлениям [100] и [110] - (а) и [001]-(б).

Сравнивая генерационные характеристики активных элементов из кристаллов УУ04:Кс13+ со степенью их структурного несовершенства, которое определялось рентгеновскими исследованиями этих элементов (значением полуширины кривой качания и наличием блочности), можно установить определенную зависимость между указанными параметрами. Из графиков на рис. 5 видно, что эффективность генерации 63% показали активные элементы 1 группы, эффективность генерации 30 - 35% показали элементы 2 группы, и эффективность генерации 20% и ниже показали элементы 3 группы. Под эффективностью генерации понимается отношение выходной мощности лазерного излучения к поглощенной мощности накачки в активном элементе.

На рис. 5 представлена зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания образцов.

Рисунок 5. Зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания элементов из У\Ю4:Кс13+

Этот график наглядно показывает зависимость эффективности генерации от качества элементов, а именно от полуширины кривой качания. Таким образом, получена корреляция между эффективностью генерации и структурным несовершенством кристаллов.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию ванадатов иттрия, ванадатов гадолиния, а также смешанных ванадатов иттрия-гадолиния разных составов. Смешанные ванадаты иттрия-гадолиния обладают еще более широким спектром люминесценции, чем ванадаты иттрия и гадолиния.

Для всех исследованных кристаллов были рассчитаны параметры элементарной ячейки по результатам дифрактометрических исследований. Рассчитанные параметры решетки для УУС>4 и ОёУСи хорошо согласуются с литературными данными. По параметрам ячейки, используя правило Вегарда для твердых растворов, была определена концентрация иттрия и гадолиния для

70

2

3

ю

Полуширина кривой качания, угл.мин

смешанных кристаллов. В таблице 1 приведены параметры решетки смешанных иттрий-гадолиниевых ванадатов с разными концентрациями иттрия и гадолиния.

Таблица 1

Рассчитанные параметры элементарной ячейки для кристаллов с разными концентрациями ионов иттрия и гадолиния, А

УУ04 Gdo.7Yo.3VO4 Gdo.9Yo.1VO4

а= Ь = 7,117 с = 6,296 а = Ь = 7,214 с = 6,348 а= Ь = 7,185 с = 6,332 а=Ь = 7,204 с = 6,343

Исследование качества кристаллов проводилось так же, как для кристаллов ванадата иттрия.

Рентгеновские исследования кристаллов 0ёУ04^(13+, Оёо,9Уо,| УОд:КМ3+, Оёо,7Уо,з\'04:Кс13+, УУС>4 показали, что все исследованные кристаллы имеют достаточно высокое структурное качество, т.е. относятся к 1 группе разделения кристаллов по структурному несовершенству.

Генерационные характеристики кристаллов изучались в непрерывном режиме генерации с продольной накачкой полупроводниковым лазерным диодом. Для исследования генерационных характеристик из кристаллов были изготовлены активные элементы размером 4x4x4 мм3. Активные элементы были ориентированы по направлению [100].

В экспериментах изучались генерационные характеристики активных элементов для двух ортогональных поляризаций лазерного излучения: ж- и о-поляризаций. Было сделано предположение, что, исходя из тетрагональной симметрии этих кристаллов, генерационные характеристики могут отличаться для ли а-поляризаций излучения. При этом излучение накачки было неполяризованным.

На торце каждого активного элемента был сделан клин под углом а ~ 1,5 - 2° для разделения к- и а-поляризаций в экспериментах по лазерной генерации. Направление я-поляризации совпадало с кристаллографическим направлением [010], ст-поляризация совпадала с кристаллографическим направлением [001]. Схема эксперимента по разделению поляризаций приведена на рис. 6.

Рисунок 6. Схема эксперимента для разделения л- и ст - поляризации излучения

На рис. 7. приведены результаты исследования генерационных параметров

шести элементов для л - и о - поляризации.

л - поляризация 4.0 .-ПОЛИЦИЯ

Г 1 ■ • . * ** •* • се, ,у, уо, N51 ' а -Vо, » оа^/о N3 < б(Л/О, N4 ! ► У.Оа. >0. N2 | • ЧЧ/О, • вй V уо, 4 У ^а.УО, N5, т С<Л/0, N3

,0 *! ■г*

Рпогл. Вт

а б

Рисунок 7. Типичные зависимости мощности излучения от мощности накачки лазеров на основе активных элементов из кристаллов Оё\Ю4:Ш3+, Ос1о,9Уо,1\Ю4:Ш3+, Оёо,7¥о.зУ04:Ш3+, УУ04 для л - поляризации - (а) и а - поляризации - (б).

Самую высокую эффективность генерации (65%) показал активный элемент из кристалла У\Ю4. Средняя полуширина кривой качания этого кристалла составляла 3 угл.мин. Самую низкую эффективность генерации (37%) показал элемент из кристалла ОёУОд. Полуширина кривых качания этого кристалла равна 4 угл.мин. Зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания образцов ряда 0с1У04:Ш3+, Оёо,9Уо,1У04:Ш3+, Оёо,7Уо,зУ04:Ш3+, УУ04 представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания образцов ряда 0аУ04:Ш3+, ОсЬ.эУо,!У04:Ш3+, Оао.7Уо,зУ04:Ш3+, УУ04.

Зависимость, представленная на рисунке 8. подобна полученной нами для кристаллов УУС>4:Ш3+ в главе 2. Это подтверждает вывод, что по степени структурного несовершенства можно предсказать генерационные характеристики конкретного кристалла на стадии заготовки без изготовления активных элементов.

Результаты проведенных исследований показали, что все кристаллы обладают достаточно высоким структурным качеством (небольшая полуширина кривой качания) и близкими генерационными характеристиками: все элементы показали высокую дифференциальную и абсолютную эффективности генерации, низкие пороги генерации и высокую выходную мощность генерации. Но даже в этом случае есть зависимость эффективности генерации от качества кристаллов, как видно из рисунка 8, т.е. они могут быть ранжированы по генерационным характеристикам, исходя из результатов предварительного изучения их структурного несовершенства.

В четвертой главе данной работы проведены исследования генерационных характеристик нового класса смешанных итгрий-скандиевых ванадатов.

Исследования структурного несовершенства смешанных иттрий-скандиевых ванадатов проводилось с помощью рентгеновского дифрактометра. Кристаллы Ух8си ХУС>4:Ш3+ изоморфны кристаллам У\Ю4 и БсУСи. Параметры элементарной ячейки данных кристаллов были рассчитаны по углам дифракции, полученным на рентгеновском дифрактометре, и приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры элементарной ячейки УУ04, 8сУС>4 и Ух8с|-хУС>4, А

Ух8с,-хУ04 УУС>4 8сУ04

а = Ь = 7,111 с = 6,288 а = Ь = 7,117 с = 6,296 а = Ь = 6,780 с = 6,120

По параметрам элементарной ячейки и в соответствии с правилом Вегарда определено, что выращенные кристаллы соответствовали составу Уо^Зсо.озУСи.

Кристаллы Ух8с1-х\'04:Нс13+ относились ко 2 группе разделения кристаллов по степени структурного несовершенства, так как максимальная полуширина кривой качания составляла 4,2 угл.мин, а минимальная составляла 1,8 угл.мин.

Таким образом, результаты рентгеновских исследований кристаллов позволили установить, что новые смешанные кристаллы с составом УхвсихУС^ обладали удовлетворительным качеством (структурным несовершенством) и их можно применять в качестве активных элементов в лазерах с полупроводниковой накачкой.

Для исследования генерационных характеристик из кристалла Ух8с1-х\Ю4 были изготовлены активные элементы размерами 4x4x4 мм3. Элементы были ориентированы по направлениям [100] и [001]. Для исследования лазерной генерации на л- и о-поляризациях излучения торец одного активного элемента (ориентированного по направлению [100]) был скошен на угол а = 1,5° по отношению ко второму торцу этого элемента.

Генерационные характеристики активных элементов из кристаллов У„8с1-хУ04:Кс13+ исследовались в непрерывном режиме при продольной накачке лазерным диодом, как описано выше.

На рис. 9 представлены зависимости мощности излучения лазера от поглощенной мощности накачки исследованных активных элементов для направлений [100] и [001], и для л- и о- поляризаций.

Рисунок 9. Зависимости мощности излучения лазера на основе активных элементов из Ух8с1.хУ04 от мощности накачки для направлений [100] и [001] - (а) и для л- и о- поляризаций - (б)

Из полученных результатов можно сделать вывод, что как и для других ванадатов РЗЭ, для иттрий-скандиевых ванадатов наблюдается зависимость генерационных характеристик от кристаллографического направления, по которому ориентирован активный элемент. В данном случае эффективность генерации была в 1,6 раза выше по направлению [100], чем по направлению [001].

Эффективность генерации лазерного излучения ж - поляризации в 1,5 раза выше, чем эффективность о - поляризации при одинаковой мощности накачки.

Результаты экспериментов по исследованию генерационных характеристик и рентгеновских исследований качества кристаллов УхБсьхУОд позволяют сделать вывод, что кристаллы удовлетворительного качества показали достаточно высокую эффективность генерации излучения. Для элементов, ориентированных вдоль направления [100] и я - поляризации дифференциальная эффективность составила ~ 40%, а максимальная выходная мощность достигала 2 Вт.

В пятой главе диссертационной работы рассчитаны ретикулярные плотности кристаллографических плоскостей (100), (110) и (001) кристалла ванадата иттрия У\Ю4. В предыдущих главах показано, что эффективность генерации ванадата иттрия и смешанных ванадатов зависит от кристаллографической ориентации активного элемента. По направлениям [100] и [110] эффективность генерации всех

исследованных кристаллов в 1,5-3 раза выше, чем по направлению [001]. Мы попытались объяснить это с кристаллографической точки зрения. Для этого была рассчитана ретикулярная плотность.

Ретикулярная плотность - это площадь сечения ионов, приходящихся на площадь плоскости в пределах элементарной ячейки. Мы предположили, что чем больше ретикулярная плотность, то есть, чем больше ионов находится в сечении ячейки, тем сильнее кристаллическое поле в данном направлении, а, соответственно больше сила осциллятора, и, соответственно, выше эффективность генерации.

На рис. 10 представлены сечения элементарной ячейки атомов К<1:У\Ю4 плоскостями (100), (110) и (001).

Рисунок 10. Сечения элементарной ячейки атомов YVOj кристаллографическими плоскостями (100) - а; (001) - б; (110) - в.

Рассчитана ретикулярная плотность для направлений [100], [110], [001]. Она составила: 67% для плоскости (100); 60% для плоскости (110); 26% для плоскости (001). Получено, что ретикулярные плотности выше ~ в 3 раза для плоскостей (100) и (110), чем для плоскости (001). Это согласуется с тем, что эффективность генерационных характеристик выше именно по направлениям [100] и [110]. чем по [001]. Можно предположить, что высокая ретикулярная плотность ионов в определенной плоскости определяет величину кристаллического поля, а, следовательно, и силу осциллятора.

В шестой главе проведено обсуждение результатов работы. Представлена зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания всех исследованных кристаллов разных составов (рис. 11).

Рисунок 11. Зависимость эффективности генерации от полуширины кривых качания активных элементов GdV04:Nd3+, Gdo,9Yo,iVC>4:Nd3+, Gdo.7Yo.3V04:Nd3+, YVC>4:Nd3+, Yo,97Sco,03V04:Nd3+ при мощности накачки 4,5 Вт.

На рис.11 приведена типичная зависимость. Всего в работе было исследовано более 50 кристаллов, получено более 500 кривых качания. Для всех исследованных кристаллов получена аналогичная зависимость, поэтому приведенные результаты являются статистически достоверными.

Зависимость на рис. 11 иллюстрирует, что данный метод применим к ванадатам РЗЭ любого состава.

Выводы

1. Для изучения структурного несовершенства кристаллов YVÜ4:Nd3+, GdVC>4:Nd3+ и смешанных иттрий-гадолиниевых ванадатов и определения видов дефектов кристаллической структуры, влияющих на характеристики лазерной генерации с полупроводниковой накачкой, проведены рентгеновские исследования данных кристаллов. Отработана методика проведения исследований кристаллов YV04:Nd3+ на рентгеновском дифрактометре типа «ДРОН - 3». Методика основана на измерении и анализе формы кривых качания от разных кристаллографических плоскостей кристаллов.

2. Проведены исследования генерационных параметров активных элементов YVÜ4:Nd3+ в непрерывном режиме с продольной накачкой лазерным диодом на длине волны 808 нм. Исследованы эффективность и пороги генерации на одних и тех же активных элементах по разным кристаллографическим направлениям. Получено, что эффективность генерации по направлениям [100] и [110] от 1,5 до 3 раз выше, чем по направлению [001].

3. Проведены исследования генерационных параметров активных элементов из кристаллов ряда GdV04:Nd3+, Gdo.9Yo,iV04:Nd3+, Gdo,7Yo.3V04:Nd3+, YV04:Nd3+ в непрерывном режиме с продольной накачкой полупроводниковым лазерным диодом на длине волны 808 нм. Исследованы дифференциальная эффективность и пороги генерации для к - и о - поляризаций, соответствующим кристаллографическим

направлениям [010] и [001] соответственно. Получено, что эффективность генерации лазера в тс - поляризации выше, чем в а - поляризации при одинаковой мощности накачки.

4. Впервые получена экспериментальная зависимость эффективности генерации активных элементов от их структурного несовершенства, определяемой по полуширине кривой качания с помощью рентгеновского дифрактометра. Это дает возможность прогнозировать генерационные характеристики кристаллов по рентгеновским исследованиям их качества без изготовления активных элементов и проведения экспериментов по лазерной генерации, что является достаточно трудоемким процессом.

5. Впервые исследовано структурное несовершенство кристаллов нового класса смешанных ванадатов с формулой YxSci-xV04:Nd3+. Рассчитаны параметры элементарной ячейки кристаллов. Исследованные кристаллы YxSci-xV04:Nd3+ обладали достаточно высоким структурным совершенством (минимальная полуширина кривой качания составляла 1,8 угл.мин., а максимальная полуширина кривой качания не превышала 4,2 угл.мин). Изучены генерационные характеристики нового класса смешанных кристаллов YxSci-xV04:Nd3+. Максимальная дифференциальная эффективность генерации составила 41,5%, максимальная выходная мощность равна 2, 167 Вт.

6. Рассчитана ретикулярная плотность для направлений [100], [110], [001]. Она составила: 67% для плоскости (100); 60% для плоскости (НО); 26% для плоскости (001). Получено, что ретикулярные плотности выше ~ в 3 раза для плоскостей (100) и (110), чем для плоскости (001). Это согласуется с тем, что эффективность генерационных характеристик выше именно по направлениям [100] и [110], чем по [001]. Можно предположить, что высокая ретикулярная плотность ионов в определенной плоскости определяет величину кристаллического поля, а, следовательно, и силу осциллятора.

Основные публикации по теме диссертации.

1. Г.Ю. Орлова, И.И. Калашникова. Исследование морфологии и фазового состава высококонцентрированных и смешанных кристаллов для активных сред лазеров. // XLVI1 Научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». 26 - 27 ноября 2004г. Труды конференции. Часть V. Москва -Долгопрудный.: МФТИ. 2004. с. 65.

2. В.М. Гармаш, J1.0. Бессонова, Г.Ю. Орлова, A.M. Родина. Выращивание кристаллов ванадата иттрия из раствора в расплаве. // Третья Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века». 20 - 26 ноября 2006г. Тезисы докладов. М.: МИСиС. 2006. с. 261.

3. Г.Ю. Орлова, Е.В. Лопатин. Исследование генерационных характеристик лазеров на основе ванадатов редкоземельных элементов при накачке полупроводниковым лазерным диодом. // 8-я Всероссийская конференция с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение». Сборник трудов. Саранск.: Издательство Мордовского университета. 2009. с. 110.

4. A.V. Klassen, V.V. Kochurikhin, М.А. Ivanov, М. Matsucura, О. Nakamura, А. Miyamoto, Y. Furukawa, G.Yu. Orlova. Edge - defined film - fed growth of Yb:YV04 single crystal plates // Journal of Crystal Growth, Vol. 310, No 11, pp. 2895 - 2898 (2008)

5. A.I. Zagumennyi, Yu.D. Zavartsev, S.A. Kutovoi, G.Yu. Orlova, V.S. Naumov, P.A. Popov. Characterization of vanadate long laser crystals grown by Czochralski method. // The 16 international conference on crystal growth (ICCG-16) August 8 - 13, 2010, Beijing, China

6. I.Ch. Avetissov, A.P. Sadovskiy, E.A. Sukhanova, G.Yu. Orlova, I.A. Belogorokhov, E.V. Zharikov. Perfection of NaN03 single crystals grown by axial vibrational control technique in Czochralski configuration. // Journal of Crystal Growth, Vol. 360, No 12, pp. 167 - 171 (2012)

7. Г.Ю. Орлова, В.И. Власов, Ю.Д. Заварцев, А.И. Загуменный, И.И. Калашникова, С.А. Кутовой, B.C. Наумов, А.А. Сироткин. Влияние структурного несовершенства кристаллов ванадатов иттрия, гадолиния и смешанных ванадатов редкоземельных элементов на генерационные характеристики лазеров с полупроводниковой накачкой. // Квантовая электроника, 42 (3), 208 - 210, 2012.

8. G.Yu. Orlova, V.I.Vlasov, Yu.D.Zavartsev, A.I.Zagumennyi, I.I. Kalashnikova, S.A.Kutovoi, V.S. Naumov, A.A.Sirotkin. Laser properties dependence on the structural imperfection of active elements from rare-earth vanadates. 15th International Conference "Laser 0ptics-2012". Summaries. St. Petersburg, Russia, June 25 - 29, 2012.

9. G.Yu. Orlova, V.I.Vlasov, Yu.D.Zavartsev, A.LZagumennyi, I.I. Kalashnikova, S.A.Kutovoi, V.S. Naumov, A.A.Sirotkin. The investigation of the laser properties of a new class of the mixed YxSci-.VO^Nd3' crystals. // Laser Physics. Vol. 22, No 8, pp. 1301 -1304 (2012).

Подписано в печать: 06.09.2013 Объем: 1 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 906 Отпечатано в типографии «Реглет» 101000, г. Москва, Пл. Мясницкие Ворота д.1, стр.3 (495) 971-22-77 www.reglet.ru

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ «ПОЛЮС»

им. М.Ф. СТЕЛЬМАХА»

На правах рукописи

04201362552

Орлова Галина Юрьевна

Исследование влияния структурного несовершенства кристаллов ванадатов редкоземельных элементов на их генерационные характеристики в лазерах с полупроводниковой накачкой

05.27.03 - Квантовая электроника Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Наумов В.С.

Москва 2013г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................3

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой......................9

1.2. Ортованадаты редкоземельных элементов:

кристаллохимия и структура соединений.............................................16

1.3. Методы выращивания ванадатов РЗЭ.............................................17

1.4. Физические свойства кристаллов ванадатов РЗЭ,

определяющие их генерационные параметры.......................................39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛОВ ВАНАДАТА ИТТРИЯ, ЛЕГИРОВАННЫХ НЕОДИМОМ (YV04:Nd3+) РЕНТГЕНОВСКИМИ МЕТОДАМИ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ГЕНЕРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Структура YV04.......................................................................59

2.2. Исследования структурного несовершенства

о ,

кристаллов YV04:NcT.....................................................................62

Выводы к разделу 2.2.......................................................................103

2.3. Исследования генерационных характеристик

элементов из YV04:Nd3+..................................................................104

Выводы к разделу 2.3.......................................................................121

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕШАННЫХ ВАНАДАТОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1. Исследования смешанных ванадатов, не легированных неодимом. Определение концентрации смешанных

кристаллов рентгеновскими методами.................................................122

Выводы к разделу 3.1.......................................................................135

3.2 Исследования структурного несовершенства ряда GdV04:Nd3+,

Gdo,9Yo.іV04:Nd3+, Gd0,7Yo!3V04:Nd3+, YV04......................................136

Выводы к разделу 3.2.......................................................................141

3.3 Исследования генерационных характеристик ряда ванадатов иттрия и гадолиния и смешанных иттрий-гадолиниевых

ванадатов GdV04:Nd3+, Gd0,9Y0,iVO4:Nd3+, Gd0,7Yo,3V04:Nd3+, YV04 ..........142

Выводы к разделу 3.3.......................................................................152 (/[

1

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕШАННЫХ КРИСТАЛЛОВ YxSci.xV04:Nd3+

4.1. Исследования структурного несовершенства

смешанных кристаллов yxsci.xv04...................................................153

Выводы к разделу 4.1......................................................................158

4.2. Исследования генерационных характеристик yxsci_xv04..................159

Выводы к разделу 4.2......................................................................162

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ РЕТИКУЛЯРНОЙ ПЛОТНОСТИ

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ПЛОСКОСТЕЙ........,............................163

Выводы к главе 5...........................................................................167

ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ..............168

ВЫВОДЫ....................................................................................175

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................177

ВВЕДЕНИЕ

Современные твердотельные лазеры и устройства на их основе применяются в оптической связи и навигационных системах, лазерной медицине и биотехнологиях, металлургической промышленности и военной технике, и других отраслях науки и техники.

К особенностям современной техники относятся высокая надежность и миниатюрность исполнения технических устройств. Проблему уменьшения габаритов лазерных устройств и снижения их энергопотребления можно решить путем использования миниатюрных источников излучения на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой, так как ламповая накачка не даёт должного КПД, а сами полупроводниковые лазеры не обеспечивают нужного качества излучения.

Наиболее интенсивно в настоящее время исследуются кристаллы ванадатов иттрия и гадолиния, применяемые в качестве активных сред твердотельных лазеров с диодной накачкой.

Ванадаты иттрия и гадолиния имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно применяемым иттрий-алюминиевым гранатом (ИАГ):

- большое значение сечения поглощения ванадатов иттрия и гадолиния, которое в 5 раз больше, чем у ИАГ;

- по значению сечения индуцированного перехода ванадат гадолиния уступает ванадату иттрия, но почти в 3 раза превышает значение для ИАГ;

- теплопроводность ванадатов иттрия и гадолиния сравнима с теплопроводностью ИАГ.

Кроме кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, легированных ионами Мё3+, в качестве активных сред могут применяться кристаллы смешанных ванадатов редкоземельных элементов, такие как: Ух0с1].хУ04, УхЬи,.хУ04, УхУЬ,.хУ04, Ух8с,.хУ04.

Цель и задачи работы

Применение кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных металлов в качестве активных элементов в лазерах с полупроводниковой накачкой накладывает определенные требования на их структурное качество, так как оно в значительной степени влияет на их генерационные параметры.

В данный момент технология выращивания монокристаллов из ванадатов редкоземельных элементов не доведена до того уровня, когда большинство выращенных кристаллов обладают высоким качеством. Основная сложность при выращивании ванадатов РЗЭ заключается в том, что из-за изменения валентности ванадия с образованием дополнительных фаз в растущем кристалле могут появляться включения субмикронного характера. Разработчики лазерной техники достаточно часто сталкиваются с проблемой, когда хорошее оптическое качество активных элементов (в т.ч. ванадатов РЗЭ) не гарантирует высокой выходной мощности лазерного излучения. Именно эта проблема натолкнула нас на изучение структурного несовершенства кристаллических активных материалов и его влияния на генерационные характеристики лазеров.

В настоящее время в литературе практически нет данных по исследованию качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов РЗЭ рентгеновскими методами и отсутствуют сведения о связи структурного несовершенства активных элементов из ванадатов РЗЭ с их генерационными характеристиками.

Поэтому исследование качества кристаллических активных элементов из ванадатов РЗЭ и влияние структурного несовершенства кристаллов на генерационные параметры лазеров с полупроводниковой накачкой представляет научный и практический интерес. Решению этих проблем посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью данной работы является:

1. исследование качества монокристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов рентгеновскими методами;

2. изучение влияние структурного несовершенства активных элементов на генерационные характеристики; разработка методики прогнозирования генерационных параметров кристаллов на основе исследования их структурного несовершенства;

3. исследование влияния кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ (УУ04:Мс13+, 0ёУ04:Ш3+, Ух0(1,.хУ04:Ыс13+, Ух8с,.хУ04:Ш3+) на эффективность генерации.

Научная новизна полученных результатов

- Экспериментально установлена взаимосвязь между структурным несовершенством кристаллов ванадатов иттрия и гадолиния, и смешанных ванадатов иттрия-гадолиния и их генерационными характеристиками. Впервые получена зависимость эффективности генерации исследованных кристаллов от их структурного несовершенства.

- Исследовано влияние кристаллографической ориентации активных элементов из ванадатов РЗЭ на эффективность генерации. Установлена взаимосвязь между ретикулярной плотностью кристаллографических плоскостей и эффективностью генерации по соответствующим направлениям.

- Впервые исследованы структурное несовершенство кристаллов У^с^ ХУ04 рентгеновскими методами, получены их генерационные характеристики.

Практическая значимость работы

- Проведенные исследования генерационных характеристик активных элементов из УУ04:Кс13+ вдоль кристаллографических направлений [100], [110] и [001] позволили установить, что наиболее привлекательным с точки зрения

эффективности генерации являются кристаллографические направления [100] и [110].

- Рентгеновские исследования структурного несовершенства кристаллов УЛЮ^Ш3* начиная с выращенной були и заканчивая активным элементом позволили установить критерий отбора заготовок из кристаллов для изготовления активных элементов. Таким критерием может быть кривая качания кристалла, полученная с помощью рентгеновского дифрактометра. По полуширине кривой качания и ее виду можно определить степень структурного несовершенства кристалла. Установлено, что в центральной части були отсутствует макроблочность и микроблочность, т.е. в целом структурное качество в центре були лучше, чем по краям.

- Сравнение генерационных характеристик активных элементов из кристалла УУ04:Нс13+ со степенью их структурного несовершенства (по величине полуширины кривой качания, полученной в рентгеновских исследованиях активных элементов) позволило установить определенную зависимость между этими параметрами. Эта зависимость дает возможность прогнозировать генерационные характеристики кристаллов по рентгеновским исследованиям их качества без изготовления активных элементов и проведения экспериментов по лазерной генерации, что намного упрощает и удешевляет процесс получения качественных активных элементов из кристаллов УУ04:Ш3+. Несмотря на то, что метод исследования структурного несовершенства кристаллов с помощью рентгеновского дифрактометра известен достаточно давно, сравнительные исследования по связи генерационных характеристик со структурным совершенством для кристаллов УУ04:Ш3+ (а также других активных кристаллов) не проводились. Такая зависимость получена впервые.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведение исследований и отработка метода контроля качества кристаллов ванадатов иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов.

2. Результаты исследований эффективности генерации лазерного излучения в активных элементах из ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов в зависимости от кристаллографической ориентации активных элементов и направления поляризации излучения.

3. Результаты исследований влияния качества кристаллов ванадата иттрия и смешанных ванадатов редкоземельных элементов на эффективность генерации лазерного излучения.

Надежность и достоверность

Достоверность результатов основана на статистической значимости большого числа исследований и многократной повторяемости результатов. В работе было исследовано более 50 кристаллов и получено свыше 500 кривых качания.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в постановке задач исследований, самостоятельно проводил эксперименты по исследованию структурного несовершенства кристаллов ванадатов РЗЭ, и по исследованию лазерных параметров активных элементов из этих кристаллов, проводил теоретические расчеты и анализ экспериментальных результатов.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на: ХЬУП научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва - Долгопрудный, 26 - 27 ноября 2004 г.), 3-й Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, 20

- 26 ноября 2006 г.), 8-й Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 5-8 октября 2009 г.), The 16 international conference on crystal growth (ICCG-16) August 8 - 13, 2010, Beijing, China, The 15th International Conference "Laser 0ptics-2012". St. Petersburg, Russia, June 25 - 29, 2012.

Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю к.т.н. Наумову Валентину Сергеевичу за помощь и поддержку при работе над диссертацией. Автор благодарит Калашникову Ирину Исаковну за помощь в работе над диссертацией и ценные советы. Автор выражает особую признательность сотрудникам Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН Загуменному А.И., Сироткину A.A. и Власову В.И. за предоставленные кристаллы и помощь в проведении экспериментов. Автор благодарит Филимонова A.A., Шестакова A.B., Шестакову И.А., Гармаша В.М., Ляшенко А.И. и Онищенко A.M. за помощь при обсуждении результатов, а также Полякова В.В. за помощь в технических вопросах.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой

Твердотельные лазеры нашли широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. Поэтому актуальной задачей остается расширение функциональных возможностей твердотельных лазеров, и разработка высокоэффективных лазеров нового поколения. К таким лазерам относятся твердотельные лазеры с накачкой полупроводниковыми лазерными диодами. В этих лазерах для получения генерации используют полупроводниковые лазерные излучатели, что приводит к значительному росту КПД и снижению тепловых нагрузок активных элементов по сравнению с лазерами с ламповой накачкой.

У многих лазерных кристаллов плохое согласование спектра лампы с линиями поглощения активатора. Кроме того, излучение газоразрядных ламп плохо фокусируется, для них нужны водяное охлаждение и высокое напряжение. Средний КПД лазера с ламповой накачкой составляет 2-3 %.

В лазерах с полупроводниковой накачкой происходит эффективное преобразование излучения полупроводниковых диодов, обладающих широким спектром, в излучение твердотельных лазеров.

Эффективность лазера с полупроводниковой накачкой может достигать более 50%, средняя эффективность составляет -30%. [1]

Чтобы обеспечить оптимальное перекрытие спектров излучения накачки и поглощения в лазерном кристалле, температурный сдвиг длины волны должен быть минимизирован. При коэффициенте сдвига 0,3 нм/°С изменение температуры должно находиться в пределах ±1°С. Такую температурную стабилизацию обычно реализуют с помощью холодильника Пельтье.

Современные лазерные диоды, используемые для накачки, имеют спектральную ширину излучения ~ 1 нм, мощность ~ 1 - 10 Вт и ресурс работы ~ 104 ч. [1]

Важным фактором, определяющим КПД твердотельных лазеров с диодной накачкой, является эффективность передачи излучения накачки в активный элемент. Основная сложность связана с существенной расходимостью излучения лазерных диодов в перпендикулярных плоскостях. Для фокусировки излучения лазерных диодов часто применяется сферическая и призменная оптика [2].

Излучение лазерного диода можно сфокусировать на площадку около 0,1

13 5 3

мм. Это позволяет уменьшить почти на 4 порядка (от 10" см до 10" см ) минимальный объем активной среды, необходимый для работы лазера [2]. Таким образом можно решить проблему миниатюризации лазерной техники и снижения мощностей накачки.

При использовании лазерного диода для накачки активного элемента твердотельного лазера могут быть реализованы два способа: торцевая и боковая накачка. В первом случае излучение диода с помощью системы линз фокусируется с торца лазерного стержня, а во втором - со стороны его боковой поверхности. С точки зрения повышения мощности стимулированного излучения боковая накачка имеет преимущество перед торцевой накачкой. Максимальная мощность лазеров с диодной накачкой в настоящее время превышает 1 кВт.

1.1.1. Активные среды для лазеров с полупроводниковой накачкой

Повышение эффективности твердотельных лазеров с диодной накачкой также может быть достигнуто за счет оптимизации резонатора, согласующей оптики и источника накачки. Решение проблемы в целом невозможно без создания новых активных сред, обладающих эффективным поглощением в спектральном диапазоне источника диодной накачки.

На практике широкое распространение получили твердотельные неодимовые лазеры с длиной волны излучения -1,06 мкм. К активным средам, используемым в таких лазерах, относятся УАО:Ш (иттрий-алюминиевый

гранат), У800:Ыс1 (иттрий-скандий-галиевый гранат), УАВ:Ыё (иттрий-алюминиевый борат), УУ04:Ыё (ванадат иттрия), СёУ04:№ (ванадат гадолиния).

Активные среды на основе кристаллов ванадатов Ш:СёУ04 и Мё:УУ04 находят самое широкое применение в различных лазерах с диодной накачкой вследствие наличия у кристаллов ванадатов оптимального сочетания спектроскопических, лазерных и теплофизических свойств [3]. По сравнению с кристаллами Ыё:УАО активные среды на основе Ш:УУ04 или ЫсШсП/С^ обладают большими сечениями рабочих переходов и сечениями поглощения на длине волны накачки, а также более широкими линиями поглощения, имеют более широкий спектр люминесценции [4]. Основные оптические и физические свойства кристаллов УАО:Ыс1, УУ04:Кё и 0с1У04:Кс1 приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Оптические и физические свойства кристаллов УАС:Ыс1, УУ04:Ыё и ОёУОд-.Ш

Свойства активной Обознач Nd:YAG Nd:Yy04 Nd:GdV04

среды ение

Сечение вынужденного ^изл 28 [5] 120 [5] 76 [5]

перехода (к = 1064 нм), 27 [6] 135 [6] 76 [6]

Ю-20 см2 28 [7] 156 [7] 76 [7]

Коэффициент а 8 [5] 40 [5] 78 [5]

поглощения, см"1 9,1 [7] 40 [7] 78 [7]

Ширина полосы Д^-ПОГЛ 0,9 [8] 2 [8] 1,6 [8]

поглощения, нм 1,3 [6] 1,4 [6] 1,6 [6]

2,5 [7] 4 [7] 3,2 [7]

Теплопроводность, Вт-м" к 14 [7] �