Применение безызлучательного переноса энергии от Tb3+ к Nd3+ для накачки 6-микронного твердотельного лазера

Применение безызлучательного переноса энергии от Tb³⁺ к Nd³⁺ для накачки 6-микронного твердотельного лазера

Пресс-релиз публикации: B.I. Denker, M.P. Frolov, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, V.G. Plotnichenko, M.V. Sukhanov, S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov. «Application of non-radiative energy transfer from Tb³⁺ to Nd³⁺ for pumping a 6 μm solid-state laser» Journal of Luminescence. – 2024. – Vol. 266. – 120288. DOI: 10.1016/j.jlumin.2023.120288

Пресс-релиз в формате PDF

В процессе работ, направленных на создание твердотельных лазеров с длинами волн излучения > 4 мкм, на основе халькогенидных стекол, активированных трехвалентными редкоземельными ионами (RE3+), мы высказали предположение о возможности создания неодимового лазера, излучающего в спектральной области ~ 6 мкм. Создание такого лазера с научной и прикладной точек зрения носит приоритетный характер, так как, до последнего времени, самый длинноволновый неодимовый лазер генерировал излучение с длиной волны ~ 1.44 мкм. Как показали исследования, ионы Nd³⁺ в селенидных стеклах демонстрируют интенсивную люминесценцию в области 4.5-6.5 мкм, соответствующую переходу ⁴I_11/2→⁴I_9/2, которая заметно смещена в длинноволновую сторону по сравнению с полосами излучения других ионов RE3+ в стеклах. Ее расположение дает надежду расширить диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров на основе активированных RE3+ стекол в диапазон до 6 мкм. В связи с этим следует обозначить место такого лазера среди других известных длинноволновых твердотельных лазеров. Наиболее разработанными на сегодняшний день являются лазеры на основе халькогенидных кристаллов, легированные Fe²⁺. Создан целый набор таких кристаллов, каждый со своим диапазоном перестройки. Комбинация всех этих кристаллов охватывает широкий спектральный диапазон от 3.7 до 6.8 мкм. Максимальные длины волн (4.5÷6.8 мкм) соответствуют кристаллу Fe²⁺:CdTe. Широкому внедрению кристаллов Fe²⁺:CdTe в практику препятствует отсутствие доступных источников накачки, к которым, среди прочего, предъявляется требование работы в режиме мощных коротких импульсов, так как все лазерные материалы, легированные Fe²⁺, имеют общий недостаток − короткое (~ 1 мкс даже при азотной температуре) люминесцентное время ионов Fe²⁺. Преимуществом же лазеров на основе матриц, активированных RE3+, является длительное люминесцентное время последних, измеряемое миллисекундами и десятками миллисекунд. И, конечно же, очень полезной особенностью стеклообразных материалов является возможность вытягивать из них оптические волокна. Традиционно используемая оптическая накачка ионов неодима на длинах волн 0.8 или 0.9 мкм для селенидных стекол неприменима, поскольку не попадает в область прозрачности этих стекол. Поэтому мы предложили альтернативный способ накачки − схему сенсибилизации с использованием ионов Tb³⁺. В солегированном Tb и Nd стекле ионы Tb³⁺ могут поглощать излучение ~ 2.9 мкм лазеров накачки на АИГ:Er³⁺ с последующей безызлучательной передачей на ионы неодима. При температуре жидкого азота перенос энергии к ионам неодима необратим и достаточно эффективен для получения лазерной генерации. Целью настоящего исследования как раз и являлось практическое осуществление лазерной генерации на переходе ⁴I_11/2→⁴I_9/2 ионов Nd³⁺. Схема лазерного эксперимента показана на Рис. 1.

В проведенных экспериментах в неселективном резонаторе длины волн генерации составили 5.80-5.85 мкм и 5.70-5.75 мкм для выходных зеркал с пропусканием OC = 8% и 28% соответственно. Максимальная выходная энергия достигала 16 мДж при эффективности η = 1.2%.

Заключение. Впервые в мире реализован новый лазерный переход ⁴I_11/2→⁴I_9/2 ионов Nd³⁺. В первом же исследовании достигнута выходная энергия до 16 мДж. Диапазон перестройки неодимового лазера составил 5.56÷6.01 мкм. Лазер на ионах неодима оказался самым длинноволновым среди всех лазеров, реализованных на легированных редкоземельными элементами стеклах.

Работа является результатом кооперации ученых из ИОФ РАН, ФИАН и ИХВВ РАН (Нижний Новгород). Вклад авторов из ИОФ РАН заключается в постановке задачи, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов.

Пресс-релиз подготовил: ведущий научный сотрудник ОЛМФ ИОФ РАН, доктор физико-математических наук С.Е. Сверчков.

Рис. 1. Схема лазерного эксперимента. Д − светоделители; ФД − фотоприемники. (Источник: B.I. Denker, M.P. Frolov, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, V.G. Plotnichenko, M.V. Sukhanov, S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov. «Application of non-radiative energy transfer from Tb³⁺ to Nd³⁺ for pumping a 6 μm solid-state laser» Journal of Luminescence. – 2024. – Vol. 266. – 120288. DOI: 10.1016/j.jlumin.2023.120288)