Учёные Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) и Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) предложили и реализовали новую схему накачки лазеров на легированном неодимом селенидном стекле с длиной волны генерации 5,7 мкм в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне. В работе достигнута выходная энергия генерации до 26 мДж при дифференциальном КПД 26 % и спектральная перестройка в диапазоне 5,55-6,07 мкм.

Разработка твердотельных лазеров среднего ИК диапазона представляет особый интерес для таких применений, как спектроскопия, дистанционное зондирование газовых смесей и атмосферы в экологии, медицине, контроле производственных процессов. В этой спектральной области располагаются основные полосы поглощения многих органических и неорганических молекул и соединений.

Халькогенидные стёкла, легированные редкоземельными элементами, на протяжении долгого времени рассматривались в качестве перспективных материалов для объёмных и волоконных лазеров среднего инфракрасного диапазона. Но только после 2020 года в мире появились первые публикации, в том числе с участием физиков из ИОФ РАН и ИХВВ РАН, в которых была продемонстрирована лазерная генерация в селенидных стёклах на инфракрасных переходах целого ряда редкоземельных ионов (Ce³⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Tb³⁺). Наиболее длинноволновая генерация (свыше 6 мкм) была получена на переходе ⁴I_11/2→⁴I_9/2 ионов Nd³⁺, однако её КПД составлял всего около 1 %.

В настоящей работе показано, что в селенидных стёклах при концентрации ионов Nd³⁺ около 10²⁰ см^-3 наблюдаются интенсивные кросс-релаксационные взаимодействия между низкорасположенными энергетическими уровнями ⁴I_15/2 и ⁴I_13/2 ионов Nd³⁺. Это позволило реализовать новую схему накачки лазеров на ионах Nd³⁺, излучающих в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Накачка осуществлялась 2,53 мкм излучением Cr²⁺:CdSe лазера. При этом верхний лазерный уровень ⁴I_11/2 Nd³⁺ заселялся за счёт процесса кросс-релаксации, в котором на один поглощённый квант накачки возбуждалась пара ионов Nd³⁺.

Благодаря использованию обнаруженного эффекта быстрой кросс-релаксации между низкорасположенными уровнями Nd³⁺ и селективной накачке в уровень ⁴I_13/2 удалось повысить выходную энергию лазера до 26 мДж (на длине волны 5,7 мкм), а дифференциальный КПД — до 26 %. Получена спектральная перестройка лазерного излучения в диапазоне 5,55—6,07 мкм.

Работа опубликована в журнале Journal of Luminescence.

Источник: ИОФ РАН.