Динаміка енерго- та масоперенесення в активованих кристалах YAG, YAP, LiNbO3 та пристроях квантової електроніки на їх основі

Abstract

Дисертацію присвячено встановленню закономірностей процесів енерго– та масоперенесення в оптичних активованих кристалах YAG, YAP, LiNbO3 та визначення на основі цих закономірностей можливих шляхів керованої модифікації оптичних властивостей кристалів та покращення характеристик пристроїв генерування, перетворення та керування когерентним оптичним випромінюванням. Засобами in-situ оптичної спектроскопії встановлено закономірності процесів, що відбуваються в кристалах складних оксидів (YAP, YAP:Nd, YAP:Mn, YbAP, YAG:Cr,Mg, YAG:Yb, LiNbO3, LiNbO3:Mg, LiNbO3:Fe) при їх термохімічних обробках в різних атмосферах, продемонстровано можливості керованої модифікації властивостей складних оксидів шляхом таких обробок. Експериментальні кінетичні криві зміни оптичного поглинання проаналізовано на основі математичних моделей, що враховують процеси дифузії та перезаряджання дефектів. Визначені параметри цих процесів, а також типові тривалості, протягом яких відбуваються основні зміни в спектрах поглинання кристалів при термохімічній обробці. Узагальнено математичні моделі найбільш розповсюджених типів мікрочіпових лазерів (неперервного режиму роботи та з пасивною модуляцією добротності), на основі цих моделей розроблено методи оптимізації таких лазерів, реалізованих на кристалах складних оксидів. Встановлено особливості проходження оптичного випромінювання через сегнетоеластичну доменну структуру, розвинуто математичні моделі оптичних пристроїв на основі кристалів складних оксидів (зокрема, LiNbO3), що містять сегнетоеластичні домени (двопроменеві поляризаційні призми, генератор терагерцового випромінювання), а також методи їх оптимізації. Запропоновано загальний метод оптимізації геометрії акусто-, електро- та п’єзооптичної взаємодії в приладах керування світловим пучком, який полягає у аналізі властивостей спеціального типу поверхонь („екстремальних”) і дозволяє врахувати всі можливі екстремуми параметрів, що характеризують величину відповідних ефектів. Диссертация посвящена установлению закономерностей процессов энерго– и массопереноса в оптических активированных кристаллах YAG, YAP, LiNbO3 и определению на их основе возможных путей модификации оптических свойств кристаллов и улучшения характеристик устройств генерирования, преобразования и управления когерентным оптическим излучением. Методом in-situ оптической спектроскопии выявлены особенности процессов в кристаллах сложных оксидов (YAP, YAP:Nd, YAP:Mn, YbAP, YAG:Cr,Mg, YAG:Yb, LiNbO3, LiNbO3:Mg, LiNbO3:Fe) при их термохимических обработках в разных атмосферах (O2, искусственный воздух, H2+Ar, Ar). Экспериментальные кинетические кривые изменения оптического поглощения анализируются прит помощи математических моделей, учитывающих процессы диффузии и перезарядки дефектов. Определены параметры этих процессов, а также их типичные длительности. Обобщены математические модели наиболее распространённых типов микрочиповых лазеров (непрерывного режима работы и с пассивной модуляцией добротности), на основе этих моделей разработаны методы оптимизации таких лазеров, реализованных на кристаллах с четырёх– и квазитрёхуровневыми схемами генерации YAG:Nd, YAP:Nd, GGG:Nd, YVO4:Nd, YAG:Tm, YAP:Tm, YAG:Nd/YAG:Cr,Mg, YAG:Yb/YAG:Cr,Mg. При проведении оптимизации лазеров непрерывного режима работы в качестве целевой функции использовалась мощность излучения, а в качестве параметров оптимизации – концентрация активатора, толщина активной среды, коэффициент отражения выходного зеркала. Для микрочиповых лазеров с пассивной модуляцией добротности оптимизация проводилась для двух вариантов условий: (1) когда в качестве целевой функции используется величина энергии лазерного импульса, и (2) когда оптимизация должна обеспечить нахождение параметров лазерного излучения в определённых пределах, установленных техническим заданием. В качестве параметров оптимизации для обоих вариантов условий использовались радиус пучка накачки, концентрация фототропных центров в абсорбере, его толщина и коэффициент отражения выходного зеркала. Эффективность предложенных методов оптимизации подтверждена соответствующих расчётом. Для всех рассмотренных лазеров установлено влияние неоднородности распределения температуры в активном элементе на параметры лазерного пучка. Развиты математические модели и методы оптимизации оптических устройств на основе кристаллов сложных оксидов, содержащих сегнетоэластические домены – двухлучевых поляризационных призм и генераторов терагерцового излучения. Оптимизация призмы состояла в определении такого способа её вырезания из двойникового монокристалла, который обеспечил бы наибольшее расхождение лучей ортогональной поляризации на выходе призмы при её возможно меньшей длине. Для терагерцового генератора, работающего на основе явления оптического выпрямления при прохождении через нелинейный кристалл спектрально–ограниченного лазерного импульса фемтосекундной длительности, была существенно развита математическая модель генератора, положенная в дальнейшем в основу процедуры оптимизации. Соответствующие оптимизации проведены для устройств на основе двух– и полидоменного кристалла LiNbO3. Предложен общий метод оптимизации геометрии акусто-, электро- и пьезооптического взаимодействия в устройствах управления световым пучком. Метод состоит в анализе свойств специального типа поверхностей („экстремальных”), которые, согласно принципу их построения, отображают все возможные экстремумы параметров, характеризующих величину соответствующих эффектов – параметра акустооптического качества М2, индуцированной приложенными электрическим напряжением или давлением разности хода лучей ортогональной поляризации. Эффективность метода продемонстрирована путём проведения оптимизации геометрии соответствующих эффектов в кристалле LiNbO3. The thesis is devoted to the clarification of regularities of the energy and mass transfer processes in the activated YAG, YAP, LiNbO3 crystals and to the determination of the possible ways of their optical properties modification as well as to the improvement of characteristics of the devices for generation, transformation and control of the coherent optical radiation based on these materials. Regularities of processes taking place in complex oxide crystals (YAP, YAP:Nd, YAP:Mn, YbAP, YAG:Cr,Mg, YAG:Yb, LiNbO3, LiNbO3:Mg, LiNbO3:Fe) during the thermo-chemical treatment are determined by means of the in-situ optical spectroscopy. Experimental kinetics of optical absorption changing are described by mathematical models taking into account the processes of diffusion and defects recharging. Parameters of these processes as well as their typical durations are determined. Mathematical models are developed and generalized for the most used types of the microchip lasers – cw and passively Q-switched ones. Optimization techniques are proposed using these models for lasers based on complex oxide crystals with the forth- and quasi-three-level generation schemes. Peculiarities of light passing throw the ferroelastic domain structure are analyzed. Using these results the mathematical models and the optimization techniques are developed for the devices based on the crystals (particularly, LiNbO3) that consist of ferroelastic domains – two-beam polarizing prisms and the terahertz generators. General method is proposed for optimization of the geometry of the acousto-, electro- and piezooptical interactions in the light beam control devices. It consists in the construction and analysis of the surfaces of the special ‘extremal’ type that represent all possible extrema of parameters characterizing values of the corresponding effects.