Лазер на неодимовом стекле с нестандартными длинами волн генерации

Коллективом исследователей из ведущих институтов Российской академии наук — Института общей физики им. А.М. Прохорова, Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых и Физического института им. П.Н. Лебедева — был создан лазер на неодимовом стекле, установивший рекорд по длине волны генерации среди всех лазеров на стеклянных матрицах. Эта работа, опубликованная в авторитетном журнале Journal of Luminescence, демонстрирует, что даже в таких, казалось бы, давно изученных областях, как неодимовые лазеры, возможны прорывные открытия.

Исторический контекст и традиционные материалы

Лазеры на стеклах и кристаллах, легированных ионами неодима, появились вскоре после создания первого рубинового лазера в 1960 году и стали самыми распространенными лазерами на твердом теле, сохраняя свою актуальность и по сей день. За десятилетия технический прогресс существенно модернизировал их, заменив ламповую накачку на полупроводниковую, однако фундаментальные спектральные характеристики ионов неодима остались неизменными. Специалистам хорошо известны их характерные длины волн генерации в ближней инфракрасной области, такие как 1,06 мкм, а также 0,94 и 1,3 мкм. Традиционные лазерные стекла являются оксидными, то есть их основу составляют стеклообразующие оксиды, чаще всего диоксид кремния (SiO2) и пятиокись фосфора (P2O5).

Прорывная технология: халькогенидные стекла

Ключевым моментом, позволившим достичь рекордного результата, стал отход от привычных оксидных материалов в сторону особого класса стекол — халькогенидных. Эти стекла синтезируются на основе элементов, расположенных в таблице Менделеева ниже кислорода, таких как сера и селен, с заменой кремния на германий, а фосфора — на мышьяк и сурьму. Главная особенность халькогенидных стекол заключается в их прозрачности, которая простирается значительно дальше в инфракрасный диапазон по сравнению с оксидными стеклами. Эта характеристика обусловлена большими радиусами и массами атомов, входящих в состав стекла, что приводит к более низким частотам их колебаний в стеклянной матрице.

Кардинальное отличие люминесцентных свойств

Люминесцентные свойства ионов неодима (Nd3+) в новой матрице радикально отличаются от их свойств в оксидных стеклах. Наиболее разительное различие наблюдается во времени жизни первого возбужденного уровня (4I11/2) иона неодима. В стандартных оксидных стеклах это время составляет всего единицы наносекунд, что обеспечивает быструю релаксацию и широко используемую низкопороговую генерацию по четырехуровневой схеме на длине волны 1,06 мкм. В противоположность этому, в высокочистых селенидных стеклах время жизни этого же уровня увеличивается на шесть-семь порядков, достигая 10-15 миллисекунд. Именно это уникальное свойство и было использовано авторами работы для создания лазера, генерирующего в ранее недоступной спектральной области.

Экспериментальная установка и достигнутые результаты

Для реализации лазерной генерации был использован импульсный лазер на кристалле Fe2+:ZnSe с длиной волны 4,75 мкм в качестве источника накачки. Его излучение было настроено на коротковолновый край полосы поглощения ионов Nd3+, соответствующей переходу на уровень 4I11/2. Активный элемент, представляющий собой цилиндр из селенидного стекла, легированного неодимом, длиной около трех сантиметров с полированными торцами, помещался в криостат, охлаждаемый жидким азотом. Такое охлаждение позволило достичь достаточно низкого порога генерации.

В условиях неселективного резонатора ионы неодима генерировали излучение с длиной волны приблизительно 5,9 мкм. Когда в резонатор была введена флюоритовая диспергирующая призма для селекции длины волны, удалось достичь перестройки генерации в широком диапазоне от 5,6 до 6,2 мкм. Таким образом, были продемонстрированы наибольшие на сегодняшний день длины волн генерации для лазеров на стеклянных матрицах.

Потенциальные области применения

Спектральный диапазон 5–6 мкм, в котором работает новый лазер, представляет значительный практический интерес. Он характеризуется наличием узких линий поглощения, соответствующих колебаниям самых разнообразных органических и неорганических молекул в газовой фазе. Широкая область спектральной перестройки генерации, продемонстрированная в работе, открывает перспективы для использования подобных лазерных источников в дистанционном анализе состава газовых смесей. Это может найти применение в мониторинге окружающей среды, для контроля промышленных процессов, а также в медицинской диагностике.

Представленные результаты являются пионерскими и были впервые достигнуты в мире. Их успех стал возможен благодаря объединению уникальных компетенций и синергии нескольких научных институтов. Эта работа не только устанавливает новый рекорд, но и открывает новое направление в разработке лазерных источников среднего инфракрасного диапазона на основе редкоземельных ионов в халькогенидных матрицах, что сулит значительный потенциал для фундаментальных исследований и практических приложений.