«Генерационные характеристики дисковых лазеров на основе двойных калий-редкоземельныхвольфраматовTm3+:KRE(WO4)2, RE = Y, Lu»

Создание компактных перестраиваемых высокоэффективных
источников когерентного излучения, работающих при комнатной
температуре в ближнем и среднем ИК диапазоне длин волн, представляет
значительный интерес для решения многочисленных как прикладных, так и
научных задач. К основным областям применения таких лазеров в первую
очередь стоит отнести медицину, лазерную локацию и мониторинг
окружающей среды, а также спектроскопические исследования [1].
Лазерная генерация в двухмикронном диапазоне длин волн может быть
реализована с использованием различных твердотельных матриц (например,
кристаллы Y3Al5O12 [6], YAlO3 [7], YLiF4 [8]), в том числе с помощью
анизотропных кристаллов двойных калий-редкоземельных вольфраматов
KRE(WO4)2 (RE=Y, Lu, Gd), легированных ионами Tm3+ [9,10].
Возрастающий интерес к этим кристаллам обусловлен уникальным
сочетанием их оптико-физических и спектроскопических параметров, в
совокупности обеспечивающих высокую эффективность генерации и
широкую область спектральной перестройки в интервале от ~1.8 до 2.0 мкм
[11]. Так, сравнительно большие сечения переходов с лазерного
метастабильного уровня 3F4 в основное состояние 3H6 обеспечивают низкие
пороги генерации и дают возможность получения коротких лазерных
импульсов в режиме модуляции добротности, вплоть до длительностей
порядка единиц наносекунд. Высокая оптическая плотность кристаллов на
длинах волн диодной накачки (~0.8 мкм) позволяет производить
эффективную накачку мощными AlGaAs – лазерными диодами и линейками
в любой геометрии (продольной, поперечной), что является важным
фактором для оптимизации излучателей на их основе. В силу больших
скоростей кросс-релаксационных процессов (переходы 3Н43F4, 3Н63F4), в
исследуемых кристаллах величина квантового выхода люминесценции на
верхний лазерный уровень 3F4 близка к 2 при концентрациях ионов тулия
выше 3…5 ат.%, что также приводит к соответствующему увеличению
эффективности генерации (до уровня 50% и выше).
Кроме того, длина волны излучения лазеров (~1.9 мкм) достаточно
хорошо согласуется с полосой поглощения кристаллов Cr2+:ZnSe и Cr2+:ZnS
[12, 13], что позволяет использовать комбинированные лазерные системы,
такие как Tm3+:KLu(WO4)2  Cr2+:ZnSe и др., для преобразования излучения
диодов и линеек в средний ИК диапазон, ~ 2.1 – 3.0 мкм.
Первые результаты спектроскопических и генерационных исследований
ионов тулия в матрице двойных калий-редкоземельных вольфраматов с
диодной накачкой были представлены в совместной работе Института
лазерной физики и Института неорганической химии СО РАН еще в 2000 г.
[14]. В частности, на образце монокристалла 15ат.%Tm3+:KY(WO4)2 была
получена генерация в двухмикронном диапазоне длин волн с
дифференциальной эффективностью на уровне 45%, при этом была показана
возможность перестройки по спектру от ~1850 до ~1950 нм, что уже тогда
находилось на уровне лучших мировых достижений.
Эти перспективные результаты стимулировали дальнейшие
полномасштабные исследования, которые проводились научными
коллективами разных стран, в частности, из России, Белоруссии, Германии и
Испании. В ходе этих исследований были получены значительные объемы
данных по спектроскопическим и генерационным характеристикам,
подтверждены благоприятные перспективы использования кристаллов
двойных калий-редкоземельных вольфраматов в качестве активных
элементов компактных высокоэффективных лазерных излучателей с диодной
накачкой, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне.
Необходимо отметить, что сравнительно невысокая теплопроводность
кристаллов KRE(WO4)2 (около 3 Вт/м·К) и твердость (∼5), в значительной
степени ограничивают их использование в лазерных системах с высокой
выходной средней мощностью. В первую очередь, это связано с тем, что
предельный уровень тепловыделения, приводящий к разрушению кристаллов
вследствие термомеханических напряжений, примерно, на порядок меньше,
чем в кристаллах Y3Al5O12 и YAlO3. Однако, начиная с 2007 года, в наших
работах была показана реальная возможность существенного увеличения
выходной мощности лазерных излучателей за счет использования активных
элементов специальной формы – тонких дисков, композитных кристаллов и
слэбов.
Так, в Институте лазерной физики СО РАН на дисковом активном
элементе 15ат.%Tm3+:KY(WO4)2 толщиной 300 мкм впервые была достигнута
выходная мощность генерации около 5 Вт в непрерывном режиме накачки
[П1], а уже в 2012 была продемонстрирована возможность создания
высокоэффективных тулиевых лазеров (в мини-слэб конфигурации) с
выходной средней мощностью свыше 10 Вт [П6].
Таким образом, как в России, так и за рубежом, активно ведутся работы
по оптимизации и совершенствованию твердотельных лазерных систем с
диодной накачкой на основе кристаллов Tm3+:KRE(WO4)2 с целью увеличения
эффективности и выходной мощности излучателей до уровня 50…100 Вт,
поскольку высокие сечения переходов, как в области накачки, так и в области
генерации, позволяют сделать эти системы чрезвычайно компактными по
сравнению, например, с аналогичными волоконными лазерами. С другой
стороны, идет активное освоение различных режимов генерации,
позволяющих получать высокие пиковые мощности в диапазоне длин волн ~
2 мкм, в том числе режимов модуляции добротности и синхронизации мод.
Следует отметить, что за последнее время появилось значительное
количество публикаций, посвященных как спектроскопическим параметрам
кристаллов двойных калий-редкоземельных вольфраматов, активированных
ионами тулия, так и различным типам лазерных излучателей на их основе.
Однако, оптимизация параметров генерации лазеров может быть проведена
только на основе глубокого понимания физических процессов,
происходящих в анизотропных лазерных кристаллах. Изучение оптических
характеристик активных сред и схем накачки, в свою очередь, требует
проведения физических исследований.
В силу того, что все результаты по исследованию оптических и
генерационных характеристик кристаллов активированных тулием являются
новыми, предполагается, что научная значимость и научный уровень
результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, будут
сопоставимы с мировыми по актуальности и новизне.

Цель работы. Экспериментальное исследование генерационных свойств
и характерных особенностей взаимодействия ионов трехвалентного тулия в
анизотропных кристаллах двойных калий-редкоземельных вольфраматов
KRE(WO4)2 (RE=Y, Lu), с целью создания на их основе лабораторных
образцов и макетов высокоэффективных компактных лазерных систем с
диодной накачкой, работающих в двухмикронной области спектра.

Задачи исследования, решаемые при создании твердотельных
дисковых лазеров, основывались на результатах фундаментальных
исследований особенностей структуры твердотельных матриц, их
спектрально-люминесцентных характеристик, процессов безызлучательного
переноса энергии между примесными оптическими центрами. Подобный
подход использовался при решении задач настоящей диссертации, конечной
целью которой являлось создание двухмикронных непрерывных
твердотельных лазеров на основе ряда кристаллических материалов,
активированных ионами Tm3+.

Таким образом, для достижения намеченной цели были поставлены
следующие задачи:

1. Изучение данных, опубликованных в открытых научных источниках, по
спектрально-люминесцентным и генерационным свойствам
кристаллических матриц, активированных ионами Tm3+.
2. Экспериментальное исследование спектроскопических характеристик
лазерных кристаллов Tm3+:KY(WO4)2 и Tm3+:KLu(WO4)2, легированных
различными концентрациями ионов тулия.
3. Оптимизация системы фокусировки излучения накачки в активные
элементы с использованием различных типов коллиматоров
(четырехзеркальный, двухзеркальный), а также проведение расчётов
параметров резонаторов.
4. Исследование параметров лазерной генерации (пороги, эффективность,
спектральный диапазон генерации) при накачке кристаллов
Tm3+:KY(WO4)2 и Tm3+:KLu(WO4)2 непрерывным и импульсным
излучением на длине волны ~0.8 мкм.
5. Разработка и оптимизация технологии производства композитных
структур на основе исследуемых анизотропных монокристаллов методом
высокотемпературного диффузионного сращивания в вакууме.
6. Проведение сравнительного анализа выходных генерационных
характеристик для Tm3+:KY(WO4)2 и Tm3+:KLu(WO4)2 лазеров в
зависимости от конфигурации активного элемента (монокристаллы,
эпитаксиальные пленки, композитные структуры).
7. Оптимизация составов кристаллов Tm3+:KY(WO4)2 и Tm3+:KLu(WO4)2 и
проведение генерационных экспериментов с целью получения
максимальной эффективности генерации.

Научная новизна. Кристаллы двойных калий-редкоземельных
вольфраматов, легированные ионами Tm3+, представляют собой
сравнительно новые лазерные материалы, которые вызывают большой
интерес с точки зрения использования их в качестве активных сред лазеров с
полупроводниковой накачкой.
В рамках диссертационной работы, на протяжении последних лет,
проводились экспериментальные и теоретические исследования в области
актуальных проблем лазерной физики. В их основе лежат фундаментальные
разработки по изучению анизотропии спектроскопических характеристик
лазерных кристаллов, особенностей взаимодействия редкоземельных ионов в
условиях непрерывной и импульсной накачки, генерации на новых длинах волн,
моделированию тепловых процессов в активных элементах.
Необходимо отметить, что реализация запланированных результатов была
обусловлена как существенным заделом в данной области исследований, так и
большим опытом работы коллектива ИЛФ СО РАН, в том числе опытом
проведения ряда совместных исследований с научными партнерами из
Белоруссии, Испании и Германии.

Таким образом, научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые достигнута мощность генерации свыше 4.9 Вт на
монокристалле 15ат.%Tm3+:KY(WO4)2 соответствующая полной
оптической ~25% и дифференциальной ~32% эффективностям.
2. Впервые разработан дисковый лазер с диодной накачкой на основе
эпитаксиальной структуры 15ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с
толщиной активного слоя 80 мкм.
3. Впервые представлены результаты сравнительных исследований
генерационных характеристик дисковых лазеров на основе
эпитаксиальных структур Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 в зависимости от
концентрации тулия, толщины активного слоя и параметров резонатора.
4. Впервые предложена и реализована технология изготовления дисковых
композитных активных Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 элементов (аналог
эпитаксиальных структур) методом высокотемпературного диффузионного
сращивания в вакууме.
5. Впервые проведен сравнительный анализ генерационных характеристик
Tm3+:KLu(WO4)2 лазеров в зависимости от конфигурации активного
элемента (монокристаллы, эпитаксиальные пленки, композитные
структуры).
Практическая значимость работы.

Проведенное в работе исследование спектроскопических и
генерационных характеристик трехвалентного тулия представляет
значительный интерес для многочисленных приложений, в которых
используются лазерные источники, генерирующие в двухмикронном
диапазоне длин волн (~1.9-2.0 мкм). Высокоэффективные и компактные
лазеры с диодной накачкой находят широкое практическое применение в
медицине: хирургии, офтальмологии, ангиопластике, артроскопии и т.д.
Важным применением двухмикронных лазеров является их использование в
лидарных установках (для определения скорости ветра, состояния облаков,
картины загрязнения и т.д.) [15-18]. Полученные в диссертационной работе
результаты экспериментальных исследований, а также новая научная
информация о взаимодействии редкоземельных ионов в анизотропных
кристаллических матрицах в условиях непрерывной и импульсной накачки
могут служить базой для создания приборов ИК–диапазона на
принципиально новой основе.

Достоверность полученных результатов обусловлена высоким
уровнем экспериментальной техники, сопоставлением данных, полученных
различными методами, применением современных теоретических
представлений и методов обработки при анализе данных, сравнением с
имеющимися литературными данными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Монокристаллы KY(WO4)2 и KLu(WO4)2 легированные Tm3+ являются
высокоэффективными лазерными средами (дифференциальная
эффективность свыше 50%) и используются для получения
мультиваттной генерации в двухмикронном диапазоне длин волн.
2. Использование монокристаллических слоев Tm3+:KLu(WO4)2
выращенных на подложке нелегированного кристалла KLu(WO4)2
методом жидкофазной эпитаксии позволяет повысить предельную
плотность энергосъема в сравнении с дисковыми активными элементами
в 3 раза.
3. В результате исследований генерационных характеристик дисковых
Tm3+:KLu(WO4)2 лазеров в зависимости от типа активного элемента
показано преимущество использования композитных структур над
эпитаксиальными.
4. Внутренние напряжения в композитных структурах
Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2, возникающие в процессе диффузионной
сварки, влияют на формирование спектра генерации лазеров на их
основе.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научных семинарах Института лазерной физики СО РАН, а
также на международных конференциях:
Int. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), Minsk, Belarus;
V Int. Symposium on Modern Problems of Laser Physics (MPLP 2008),
Novosibirsk, Russia; Solid State Lasers XIX: Technology and Devices (2010), San
Francisco, USA; Intl. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2010)
collocated with Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2010),
Kazan, Russia; Intl. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2013)
collocated with Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2013),
Moscow, Russia; VI Int. Symposium on Modern Problems of Laser Physics
(MPLP 2013), Novosibirsk, Russia; Intl. Conf. «Laser Optics 2014» (LO-14)
2014, St. Petersburg, Russia; V Russian-Chinese Workshop and School for Young
Scientists on Laser Physics and Photonics (RCWLP&P 2015), Novosibirsk,
Russia; II молодежная научно-практическая конференция «Региональные
программы и проекты в области интеллектуальной собственности», Москва,
Россия (2015), VII Int. Symposium on Modern Problems of Laser Physics (MPLP
2016), Novosibirsk, Russia; Intl. Conf. «Laser Optics 2016» (LO-14), St.
Petersburg, Russia; Intl. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2016)
collocated with Intl. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2016),
Minsk, Belarus; Advanced Solid State Lasers (ASSL 2017), Nagoya, Japan; VIII
Int. Symposium on Modern Problems of Laser Physics (MPLP 2018), Novosibirsk,
Russia; Intl. Conf. «Laser Optics 2018» (ICLO-18), St. Petersburg, Russia; 8th
Pacific-Rim Laser Damage (PLD 2018), Yokohama, Japan.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 29 работ: 12 работ
опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных
ВАК [П1-П12]; 16 работ опубликованы в материалах всероссийских и
международных конференций [П13–П28]; получен 1 патент [П29]. Список
работ приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора.

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично,
либо в соавторстве при его непосредственном участии. Автор принимал
участие в проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных
результатов, подготовке публикаций по теме диссертационной работы.
Основные работы выполнены в Институте лазерной физики СО РАН,
совместно в соавторстве с сотрудниками Института неорганической химии
СО РАН, а также при сотрудничестве с группами исследователей из
Института физики и кристаллографии материалов и наноматериалов
(FiCMA-FiCNA, Испания), Института Макса Борна (Германия) и Института
физики им. Б.И. Степанова (Беларусь). Во всех случаях использования
результатов других исследований в диссертации приведены ссылки на
источники информации.
Работа была выполнена в рамках проектов: СОРАН-НАНБ «Разработка
фундаментальных основ создания высокоэффективных источников
когерентного излучения на основе лазерных кристаллов двойных калий-
редкоземельных вольфраматов» (2009-2011 гг.); II.7.5.11 «Фундаментальные
основы создания высокоэффективных лазерных систем на основе
анизотропных кристаллов двойных калий-редкоземельных вольфрамов»
(2010-2012 гг.); грант РФФИ №12-02-31209 (2012-2013 гг.); грант РФФИ
№14-02-00282 (2014-2015 гг.); грант РФФИ №16-52-00040 (2015-2016 гг.).

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов,
заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации
составляет 122 страницы, включая 31 рисунок, 9 таблиц и список цитируемой
литературы из 72 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной
работы, определяются цель и задачи исследований, перечисляются основные
положения диссертации, выносимые на защиту, приводятся научная новизна
и практическая значимость полученных результатов, излагается краткое
содержание глав с указанием основных полученных результатов.

Первая глава является обзорной. В ней дана краткая историческая
справка о развитии новых перспективных кристаллов двойных калий-
редкоземельных вольфраматов. Описывается технология выращивания
исследуемых образцов – высококачественных монокристаллов и
эпитаксиальных структур, технология изготовления аналога эпитаксиальных
структур – композитных кристаллов – методом высокотемпературного
диффузионного сращивания в вакууме. Отмечены недостатки и достоинства
исследуемых лазерных сред, в частности, высокие значения сечений
люминесценции, широкие полосы поглощения, хорошие теплофизические
свойства. Рассматривается квазитрехуровневая модель энергетических
уровней ионов Tm+3, определены основные спектроскопические параметры
исследуемых сред. Приведены спектры поглощения исследуемых
кристаллов. В главе обосновывается основная цель настоящей работы, а
именно возможность создания новых высокоэффективных компактных
лазерных систем с диодной накачкой, работающих в двухмикронной области
спектра.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию
генерационных характеристик тонких лазерных дисков на основе
монокристаллов KY(WO4)2 легированных 15 ат.% Tm3+:
 приводятся результаты исследования параметров излучения диодной
линейки, используемой для накачки дисковых активных элементов;
 исследуются возможности формирования излучения диодной линейки с
помощью различных зеркальных и линзовых систем;
 описывается четырехзеркальная система, позволяющая оптимальным
образом сфокусировать излучение диодной линейки в дисковый
активный элемент;
 исследуется температурная зависимость длины волны излучения
диодной накачки;
 обсуждается вопрос о согласовании спектров источника накачки и
поглощения образцов с целью обеспечения максимальной
эффективности поглощения лазерного излучения;
 приводятся основные результаты экспериментальных исследований
генерационных характеристик набора дисковых лазеров с диодной
накачкой с толщиной активного элемента от 200 до 300 мкм,
излучающих в диапазоне длин волн от 1840 до 1950 нм.
Показано, что оптимизация таких параметров как толщина активного
элемента, длина резонатора, коэффициент пропускания и радиус кривизны
выходного зеркала, а также метод фокусировки излучения накачки в
активный элемент, позволяет достигнуть мощности генерации более 4.9 Вт,
которая соответствует полной оптической – 25% и дифференциальной – 32%
эффективностям.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию
генерационных характеристик набора дисковых лазеров с диодной накачкой
на основе эпитаксиальных структур Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с
концентрацией ионов тулия от 5 до 15 ат.%. Впервые продемонстрирована
работа дискового лазера на основе эпитаксиальной структуры
15ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с толщиной активного слоя 80 мкм. В
данной главе описывается альтернативная схема формирования и доставки
излучения диодной линейки, основанная на двухзеркальном коллиматоре с
системой линз и зеркал. Исследованы генерационные характеристики
дисковых лазеров с оптимизированной диодной накачкой, ключевыми
компонентами которых являются эпитаксиальные структуры
Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с толщиной активного слоя от 160 до 450 мкм,
легированные ионами тулия с концентрацией от 5 до 15 ат.%. Изучена
«структурированная» форма спектра выходного излучения дискового
Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 лазера, которая представляет собой
совокупность нескольких отдельных не эквидистантных пиков со
спектральной шириной менее 1 нм. Проведен сравнительный анализ
выходных генерационных характеристик для лазеров в зависимости от
конфигурации активного элемента, а также параметров резонатора.

В четвертой главе представлены результаты сравнительных
исследований генерационных характеристик набора дисковых лазеров на
основе монокристаллов 5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2 и композитных структур
5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2. На образце композита с толщиной
активного слоя 250 мкм получена мощность генерации около 5 Вт в
непрерывном режиме на длине волны 1.85 мкм. В условиях
квазинепрерывной накачки дифференциальная эффективность всех
исследованных образцов составила свыше 50%. Экспериментально показано
значительное влияние внутренних напряжений в композитных структурах на
спектральные характеристики генерации лазера. Использование в качестве
активных элементов лазеров композитных и эпитаксиальных структур
5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 позволяет увеличить предельную
плотность энергосъема более, чем в три раза, по сравнению с дисками
5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2 при одинаковой толщине активного слоя.

В заключении представлены основные результаты, полученные в
работе, приведен список основных публикаций по теме диссертации и список
цитируемой литературы.

В настоящей диссертационной работе решена задача исследования
генерационных характеристик твердотельных дисковых лазеров с диодной
накачкой на основе новых активных сред – монокристаллов
Tm3+:KRE(WO4)2, эпитаксиальных и композитных структур
Tm3+:KRE(WO4)2/KRE(WO4)2, с целью создания высокоэффективных
компактных излучателей на их основе, работающих в двухмикронном
диапазоне длин волн. В работе получены следующие основные результаты и
выводы:
1. Реализован непрерывный режим работы дискового лазера на основе
монокристалла 15ат.%Tm3+:KY(WO4)2. На разработанных активных
элементах с толщиной диска 200, 250 и 300 мкм при накачке излучением
диодной линейки на длине волны 802 нм получена генерация в
двухмикронном диапазоне длин волн. Впервые достигнута максимальная
мощность генерации более 4.9 Вт на длине волны 1880 нм,
соответствующая полной оптической эффективности – 25% и
дифференциальной эффективности – 32%.
2. Впервые была продемонстрирована работа дисковых лазеров на основе
эпитаксиальных структур 5…15ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с
толщиной активного слоя от 80 до 450 мкм, как в квазинепрерывном, так и
в непрерывном режимах. Дифференциальная эффективность на всех
образцах эпитаксиальных структур превышала 40%, при этом
максимальная эффективность генерации наблюдалась на дисковом
активном элементе 5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 с толщиной
активного слоя 250 мкм и равнялась 47%. Изучение спектрально-
оптических свойств эпитаксиальных структур показало, что использование
исследованных сред позволяет создавать высокоэффективные лазерные
системы с возможностью перестройки более 100 нм в двухмикронном
диапазоне длин волн. Кроме того, была также впервые обнаружена (и
впоследствии многократно подтверждена) «структурированная» форма
спектров выходного излучения дисковых Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2
лазеров, которая представляют собой совокупность (5-10) отдельных не
эквидистантных пиков со спектральной шириной менее 1 нм,
соответствующих переходам между отдельными штарковскими уровнями.
3. Предложена и реализована технология изготовления дисковых композитных
активных Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2 элементов (аналог эпитаксиальных
структур) методом высокотемпературного диффузионного сращивания в
вакууме. Впервые проведен ряд сравнительных исследований
генерационных характеристик двухмикронных тулиевых лазеров с
диодной накачкой на основе композитных структур и тонких дисков. На
образце композита (аналог эпитаксиальных структур)
Tm3+:KLu(WO4)2/KLu(WO4)2), с толщиной активного слоя 250 мкм,
получена мощность генерации около 5 Вт в непрерывном режиме на длине
волны 1.85 мкм. В условиях квазинепрерывной накачки дифференциальная
эффективность превысила 50% для всех исследованных образцов. Кроме
того, было экспериментально установлено, что внутренние напряжения в
композитных структурах значительно влияют на спектральные
характеристики генерации, в частности изменяют форму и ширину спектра
генерации.
4. Продемонстрирована возможность увеличения выходной мощности
генерации на образце монокристалла 5ат.%Tm3+:KLu(WO4)2. Разработан
действующий макет высокоэффективного малогабаритного тулиевого
лазера с активным элементом в мини-слэб конфигурации. Выходная
мощность лазера составила свыше 10 Вт в спектральной области 1.91 мкм,
что является рекордной величиной для активных сред на основе
кристаллов двойных калий-редкоземельных вольфраматов,
активированных тулием.
В целом, за период 2007-2019 гг. было проведено полномасштабное
исследование генерационных характеристик лазерных сред нового поколения
Tm:KRE(WO4)2, RE=Y, Lu, а также экспериментально подтверждена
возможность увеличения выходной мощности до уровня 50…100 Вт в
двухмикронном диапазоне длин волн, 1.8-2.0 мкм.
В заключение автор выражает свою благодарность своему научному
руководителю и наставнику – с.н.с. ФГБУН ИЛФ СОРАН к.ф.-м.н. Ватнику
С. М. за помощь в выборе темы диссертации, руководство работой, помощь
при проведении экспериментальных работ, обсуждении результатов, а также
при подготовке публикаций.
Автор также выражает благодарность руководителю группы ФГБУН
ИНХ СОРАН к.т.н. Павлюку А. А., за предоставленные для исследований
образцы высококачественных монокристаллов.
Автор благодарит группу зарубежных ученых в составе авторского
коллектива: Martha Segura, Rosa Maria Solé, Xavier Mateos, Joan J. Carvajal,
Maria Cinta Pujol, Jaume Massons, Magdalena Aguiló, Valentin Petrov, Uwe
Griebner, Francesc Díaz, за предоставленные для исследований образцы
эпитаксиальных структур, а также за помощь в обсуждение результатов
научных исследований и подготовке совместных публикаций.
Автор выражает свою искреннюю благодарность с.н.с. ФГБУН ИЛФ
СОРАН к.ф.-м.н. Курбатову П. Ф. за поддержку и оказанную помощь в
подготовке экспериментов по отработке технологии изготовления
композитных структур, а также помощь в проведении экспериментов по
отработке технологии нанесения металлизированных покрытий на образцы
монокристаллов и структур.
Также автор благодарит сотрудников ФГБУН ИЛФ СОРАН в лице
руководителя группы Андросова Г.Н., ведущего инженера Эрга Г. В., н.с.
Ковалева С. И., оператора Кукарина Л. Ф. за помощь и содействие при
изготовлении активных элементов излучателей, оптических деталей и
вспомогательной оптики.

[1]С.В. Грачев. Гольмиевый лазер в медицине // Москва, Издательство:
Триада-X, ISBN: 5-8249-0102-3(I), 240 c. (2003);
[2]T.M. Buzug, D.J. Bongartz, M.U. Hartmann and S. Weber. Design and
Technical Concept of a Tm Laser Scalpel for Clinical Investigation Based on
a 60W, 1.92 μm Tm Fiber Laser System // Advances in Medical
Engineering, 114, pp. 447-452 (2007);
[3]S.W. Henderson, C.P. Hale, J.R. Magee, M.J. Kavaya, and A.V. Huffaker.
Eye-safe coherent laser radar system at 2.1 using Tm,Ho:YAG lasers // Opt.
Lett. 16(10), pp. 773-775 (1991);
[4]C. Fischer, E. Sorokin, I.T. Sorokina, and M.W. Sigrist. Photoacoustic
monitoring of gases using a novel laser source tunable around 2.5 µm // Opt.
Lasers Eng., 43, 573 (2005);
[5]F.K. Tittel, D. Richter, and A. Fried. Mid-infrared laser application in
spectroscopy // Solid-State Mid-Infrared Laser Soursces, 80, 445 (2003);
[6]Stoneman, R.C., L.Esterowitz. Efficient, broadly tunable, laser-pumped Tm:
YAG and Tm: YSGG cw lasers // Opt. Lett., 15, 486–488 (1990);
[7]I.F. Elder, M.J.P. Payne. YAP versus YAG as a diode pumped host for
thulium // Opt. Commun., 148, p.265-269 (1998);
[8]G.L. Bourdet, G. Lescroart. Theoretical modeling and design of a Tm,
Ho:YLF4 microchip laser // Appl. Opt., 38, p.3275-3281 (1999);
[9]S. Vatnik, E. Balashov, A. Pavljuk, E. Golikova, A. Lyutetskiy.
Measurement of gain and evaluation of photon avalanche efficiency in 10%
Tm:KY(WO4)2 crystal pumped by free-running Nd:YAG laser // Opt.
Com., 220, pp. 397–400 (2003);
[10] Xavier Mateos, et al. Efficient 2-µm Continuous-Wave Laser Oscillation of
Tm3+:KLu(WO4)2 // Quantum electronics, 42, 10 (2006);
[11] S. Rivier, X. Mateos, V. Petrov, and U. Griebner. Tm:KY(WO4)2
waveguide laser // Optics express, 15, 9 (2007);
[12] Martha Segura, Martin Kadankov, Xavier Mateos, Maria Cinta Pujol, Joan
Josep Carvajal, Magdalena Aguiló, Francesc Díaz, Uwe Griebner, and
ValentinPetrov.PassiveQ-switchingofthediodepumped
Tm3+:KLu(WO4)2 laser near 2-μm with Cr2+:ZnS saturable absorbers //
Optics express, 20, 2 (2012);
[13] Haohai Yu, et al. Compact passively Q-switched diode-pumped Tm:LiLuF4
laser with 1.26 mJ output energy // Optics letters, 37, 13 (2012);
[14] С.Н. Багаев, С.М. Ватник, А.П.Майоров, А.А. Павлюк, Д.В. Плакущев.
Спектроскопияилазернаягенерациямоноклинныхкристаллов
KY(WO4)2:Tm // Квантовая электроника, 30, 4 (2000);
[15] N.P. Barnes et al. Tm:fiber lasers for remote sensing // Optics Materials, 31,
pp. 1061-1064 (2009);
[16] I.T. Sorokina. Solid-state mid-infrared laser sources // Berlin-Heidelberg:
Springer-Verlag, pp. 255-351 (2003);
[17] B.M. Walsh. Review of Tm and Ho Materials: Spectroscopy and Lasers //
Laser Physics, 19, 4, pp.855-866 (2009);
[18] S.W. Henderson, et al.. Coherent Laser Radar at 2µm Using Solid-State
Lasers // IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, 31, 1, pp. 4-
15 (1993);
[19] П.В.Клевцов,Л.П.Козеева.Синтез,рентгенографическоеи
термическоеизучениекалий-редкоземельныхвольфраматов
KLn(WO4)2, Ln – р.з.э. // Докл. АН СССР. Т. 185. № 3. Стр. 571-574
(1969);
[20] X. Mateos, R. Sole, Jna. Gavalda, M. Aguilo, J. Massons, F. Diaz. Crystal
growth, optical and spectroscopic characterisation of monoclinic KY(WO4)2
co-doped with Er3+ and Yb3+. // Optical Materials, v.28, p.423-431, 2006;
[21] Sangeeta, D.G. Desai, A.K. Singh, S.C. Sabharrwal. Growth and
characterization of KY(WO4)2 crystals //Jornal of Crystal Growth, 310. pp.
2815-2819 (2008);
[22] А.А. Каминский, Н.Р. Агамалян, А.А. Павлюк, Л.И. Бобович, В.В.
Любченко. Получение и люминесцентно-генерационные свойства
KLu(WO4)2 – ND3+ // Неорганические материалы, 19, 6, (1983);
[23] A.A. Pavlyuk, Л.И. Бобович. Выращивание кристаллов со структурой
“α-KY(WO4)2” из раствора в расплаве // 6th International Conference on
Crustal Growth. СССР, Москва, стр. 271-273(1980);
[24] V. Petrov, M.C. Pujol, X. Mateos, O. Silvestre, S. Rivier, M. Aguiloґ, R.M.
Sole, J. Liu, U. Griebner, F. Diaz. Growth and properties of KLu(WO4)2,
and novel ytterbium and thulium lasers based on this monoclinic crystalline
host // Laser & Photon. Rev., 1, 2, pp. 179–212 (2007);
[25] А.А. Павлюк, Л.И. Бобович. Выращивание монокристаллов со
структурой a-KY(WO4)2 из раствора в расплаве // 6 Международная
конференция по росту кристаллов, Москва, 3, стр. 271-273 (1980);
[26] A.A. Pavlyuk, Ya.V. Vasiliev, L.Yu. Kharchenko, et.al. Low thermal
gradient technique and method for large oxide crystals growth from melt and
flux // Proceeding of APSAM-92. Published in Japan. pp. 164-171 (1993);
[27] W.Koechner. Solid State Laser Engineering // Springer Verlag (1999);
[28] I. I. Kuznetsov, I. B. Mukhin, D. E. Silin, A. G. Vyatkin, O. L. Vadimova,
O. V. Palashov. Thermal Effects in End-Pumped Yb:YAG Thin-Disk and
Yb:YAG/YAG Composite Active Element // IEEE Journal of Quantum
Electronics, 50, 3, pp. 133-140 (2014);
[29] U. Griebner, J. Liu, S. Rivier, A. Aznar, R. Grunwald, R.M. Sole, M.
Aguilo, F. Diaz, and V. Petrov. Laser operation of epitaxially grown
Yb:KLu(WO4)2-KLu(WO4)2 composites with monoclinic crystalline
structure, IEEE J. Quantum Electron. 41, 408–414 (2005);
[30] A. Aznar, O. Silvestre, M.C. Pujol, R. Sole, M. Aguilo, and F. Diaz. Liquid-
phase epitaxy crystal grown of monoclinic KLu1−xYbx(WO4)2/KLu(O4)2
layers // Cryst. Growth & Design 6, pp. 1781–1787 (2006);
[31] Chen D.Y., Li X.D., Zhang Y., Yu X., Chen F., Yan R.P., Ma Y.F., Wang C.
Research on diffusion-bonding composite YVO4/Nd:GdVO4 crystal//
Laser Phys. Lett., 8, 46 (2011);
[32] Mukhin I., Perevezentsev E., Palashov. Fabrication of composite laser
elements by a new thermal diffusion bonding method // Opt. Mater. Express,
4, 266 (2014);
[33] Борисов С.В., Клевцова Р.Ф. Кристаллическая структура KY(W04)2 //
Кристаллография, 13, 3, стр. 517-519 (1968);
[34] А.А. Каминский, П.Ф. Клевцов, и др. Спектроскопические и
генерационные исследования нового лазерного кристалла KY(WO4)2 –
Nd3+ // Неорганические материалы, 3, 12, стр. 2153-2163 (1972);
[35] A.A. Kaminskii, A.F. Konstantinova, V.P. Orekhova, A.V. Butashin, R.F.
Klevtsova, and A.A. Pavlyuk. Optical and nonlinear laser properties of the
χ(3)-active monoclinic α-KY(WO4)2 crystals // Crystallography Reports 46,
665 (2001);
[36] V. Petrov, M. C. Pujol, X. Mateos, O. Silvestre, S. Rivier, M. Aguiló, R. M.
Solé, J. Liu, U Griebner, and F. Díaz. Growth and properties of KLu(WO4)2
and novel ytterbium and thulium lasers based on this monoclinic crystalline
host // Laser & Photonics Review, 1, 2, pp. 179–212 (2007);
[37]P.A. Loiko, K.V. Yumashev, N.V. Kuleshov, G.E. Rachkovskaya, A.A.
Pavlyuk. Detailed characterization of thermal expansion tensor in
monoclinic KRe(WO4)2 (where Re = Gd, Y, Lu, Yb) // Optical Materials,
Vol. 34, Issue 1, pp. 23–26 (2011);
[38] Г.М.Зверев и др. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом. // М.:
«Радио и связь», стр. 144 (1985);
[39] C.W.Lan, C.Y.Tu. Tree-dimensional simulation of faset formation and the
coupled heat flow and segregation in Bridgman growth of oxide crystals //
J. Cryst.Growth, v.233, p.523-536 (2001);
[40] Yi-An Chang, Yen-Kuang Kuo. Optical Performance of Ho:YLF Q-
switched Tm:YAG Laser System // High-Power Lasers and Applications,
Proceedings of SPIE Vol. 4914 (2002);
[41] A. A. Kaminskii. Laser Crystals: Their physics and properties // Second
Edition, Springer-Verlag New York, Chapter 6.3 (1990);
[42] R. L. Aggarwal, D. J. Ripin, J. R. Ochoa, and T. Y. Fan. Measurement of
thermo-optic properties of Y3Al5O12, Lu3Al5O12, YAIO3, LiYF4,
LiLuF4, BaY2F8, KGd(WO4)2, and KY(WO4)2 laser crystals in the 80–
300 K temperature range // J. Appl. Phys. 98, 103514 (2005);
[43] О. Звелто. Принципы лазеров // Издательство «Лань», 4-е изд. (2008);
[44] D. Findlay, R. A. Clay // The Measurement of Internal Losses in 4-Level
Lasers, Phys. Lett. 20, pp. 277-278 (1966);
[45] K. van Dalfsen, S. Aravazhi, C. Grivas, S. M. García-Blanco, and M.
Pollnau1 // Thulium channel waveguide laser with 1.6 W of output power
and ∼80% slope efficiency, Opt. Lett. 39, 15 (2014);
[46] O. Silvestre, M.C. Pujol, M. Rico, F. Guell, M. Aguilo, F. Diaz. Thulium
doped monoclinic KLu(WO4)2 single crystals: growth and spectroscopy //
Appl. Phys. B 00, 1–10 (2007);
[47] С.Н.Багаев, С.М.Ватник, А.П.Майоров, А.А.Павлюк, Д.В.Плакущев.
Спектроскопияилазернаягенерациямоноклинныхкристаллов
KY(W04)2:Tm // Квантовая электроника, 30, 4 (2000);
[48] G. Rustad and K. Stenersen. Modeling of laser-pumped Tm and Ho lasers
accountingforupconversionandground-statedepletion
// IEEE J. Quantum Electron. 32(9), 1645–1656 (1996);
[49] R. C. Stoneman and L. Esterowitz. Efficient, broadly tunable, laser-pumped
Tm:YAG and Tm:YSGG cw lasers // Opt. Lett. 15, 486-488 (1990);
[50] Elder I. F. and Payne M. J. P. YAP versus YAG as a diode-pumped host for
thulium // Optics Communications 148, 265–269 (1998);
[51] Černý, P., Šulc, J., and Jelínková, H. Continuous tuning of a diode pumped
Tm:YAP laser // Solid State Lasers and Amplifiers II, Sennaroglu, A., ed.,
Proceedings of SPIE 6190, 6190–08, SPIE (2006);
[52] Ermeneux F.S., Goutaudier C., Moncorge R. Growth and fluorescence
properties of Tm3+ doped YVO4 and Y2O3 single crystals // Optical
Materials, 8, pp. 83-90 (1997);
[53] Ohta K., Saito H., Obara M. Spectroscopic characterization of Tm3+:YVO4
crystal as an efficient diode pumped laser source near 2000 nm // J. Appl.
Phys., 73, 7, pp. 3149-3152 (1997);
[54] N.G. Zakharov, O.L. Antipov, O.N. Eremeykin, A.P. Savikin. Optimization
of a diode-pumped Tm:YLF laser at 1908 nm // High-power Laser Beams
2006, N. Novgorod, Russia. Technical Digest, p. 117 (2006);
[55] X.M. Duan, B.Q. Yao, Y.J. Zhang, C.W. Song, et al. Diode-pumped high
efficient Tm:YLF laser output at 1908 nm with near-diffraction limited
beam quality // Laser Phys. Lett. 5, 5, pp. 347–349 (2008);
[56] Wan-Jun He, et al. Diode-pumped efficient Tm,Ho:GdVO4 laser with near-
diffraction limited beam quality // Optics express, 14, 24 (2006);
[57] N.P. Barnes, M.G. Jani and R.L. Hutcheson. Diode Pumped Tm:LuAG
Laser // Applied Optics, 34, 4290 (1995);
[58] Camy P., Doualan J.L., Renard S., Braud A., Ménard V., et al. Tm3+:CaF2
for 1.9 μm laser operation // Opt. Commun, 236, pp. 395- 4002 (2004);
[59] Payne S. A., Chase L. L., Smith L. K., Kway W. L., Krupke, W. F. Infrared
Cross-Section Measurements for Crystals Doped with Er3+, Tm3+, and
Ho3+ // IEEE J. of Quant. Electronics, 28, 11, pp. 2619-2630 (1992);
[60] Walsh B. M., Barnes M. P., et.al. Branching ratios, cross sections, and
radiative lifetimes of rare earth ions in solids: Application to Tm3+ and
Ho3+ ions in LiYF4 // J. of Appl. Phys., 83, 5, pp. 2772-2787 (1998);
[61] I. F. Elder and M. J. P. Payne. Lasing in diode-pumped Tm:YAP,
Tm,Ho:YAP and Tm,Ho:YLF // Opt. Commun., 145, 320(1998);
[62] Brauch U., Giesen A., Karszewski M., Stewen C., Voss A. Multi watt diode-
pumped Yb:YAG thin disk laser continuously tunable between 1018 and
1053 nm // Optics Letts, 20, 713 (1995);
[63] Контаг К., Каршевский М., Стивен К., Гисен А., Хюгель Г.
Теоретическое моделирование и экспериментальное исследование
YAG:Yb-лазера на тонком диске с диодной накачкой // Квантовая
электроника, 28, 139 (1999);
[64] W. A. Clarkson, D. C. Hanna. Two-mirror beam-shaping technique for high-
power diode bars // Optics Letters, 21, pp. 375– 377 (1996);
[65] L. E. Batay, A. A. Demidovich, A. N. Kuzmin, A. N. Titov, M. Mond, and
S. Kück. Efficient tunable laser operation of diode-pumped Yb,
Tm:KY(WO4)2 around 1.9μm // Appl. Phys., 75, pp. 457-461 (2002);
[66] L. E. Batay, A. N. Kuzmin, A. S. Grabtchikov, V. A. Lisinetskii, et.al.
Efficient diode-pumped passively Q-switched laser operation around 1.9μm
and self-frequency Raman conversion of Tm-doped KY(WO4)2 // Appl.
Phys. Lett., 81, pp. 2926-2928 (2002);
[67] V. Petrov, F. Güell, J. Massons, J. Gavalda, R. M. Sole, M. Aguilo, F. Diaz,
and U. Griebner. Efficient tunable laser operation of Tm:KGd(WO4)2 in the
continuous wave regime at room temperature // IEEE J. Quantum Electron.,
40, 1244-1251 (2004);
[68] Sheldakova J.V., Kudryashov A.V., Zavalova V.Yu., Cherezova T.Yu.
Вeam quality measurements with Shack-Hartmann wave front sensor and
M2-sensor: comparison of two methods // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.,
6452, 645207 (2007);
[69] Y. Suzaki, A. Tachibana. Measurement of the mm sized radius of Gaussian
laser beam using the scanning knife-edge // Applied Optics, v.14, No.12,
p.2809 (1975);
[70] H. Injeyan, G.D. Goodno. High power laser handbook // McGraw-Hill, New
York (2011);
[71] P. A. Budni, L. A. Pomeranz, M. L. Lemons, C. A. Miller, J. R.Mosto, and
E. P. Chicklis. Efficient mid-infrared laser using 1.9 mkm pumped Ho: YAG
and ZnGeP2 optical parametric oscillators // J. Opt. Soc. Am. B, 17, 5, pp.
723–728 (2000);
[72] L. Hongshu, Z. Ming, and X. Wenhai. High-power, high-efficiency cw
diode-pumped Tm:YAP laser emitting at 1.99 μm // J. Russ. Laser Res. 33,
pp. 307–309 (2012).
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.