МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК C30B29/28 H01S3/16 

Изобретение относится к получению монокристаллов для лазерной техники.

Наиболее близким к изобретению является известный монокристаллический лазерный материал со структурой граната, который описывается формулой Gd_xNd_p(Ca, Sr)_yMg_z. Zr_u Ga_vCr_qO₁₂, где 2,10 ≅х≅3,04; 0,20 ≅y + z ≅0,70;
0,20≅u ≅0,70; 3,45≅ v ≅4,51; 0,001≅p≅0,25; 0,001 ≅ q ≅ 0,25.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий КПД лазера, обусловленный тем, что коротковолновая часть излучения лампы накачки не используется для создания инверсной заселенности.

Целью изобретения является повышение КПД лазера.

Цель достигается тем, что монокристаллический лазерный материал со структурой граната дополнительно содержит церий в качестве сенсибилизатора, причем содержание церия не превышает 0,05 атома на формульную единицу граната (ф.е.).

В прототипе ионы хрома, используемые в качестве сенсибилизатора, имеют полосу поглощения в области длин волн λ= 0,5-0,65 мкм. При этом излучение лампы накачки с λ< 0,5 мкм не используется для создания инверсной заселенности, а переходит в тепло.

При использовании в качестве сенсибилизатора ионов церия происходит эффективная передача энергии возбуждения от ионов Се³⁺ к ионам Cr³⁺ и Nd³⁺, которая приводит к повышению интенсивности люминесценции последних в несколько раз. При этом ионы Се³⁺ имеют две полосы поглощения в области λ= 0,33-0,37 мкм и λ=400 500 мкм. Люминесценция ионов Се³⁺ происходит в широкой (≈110 нм) полосе с максимумом в области 0,53-0,58 мкм. Перекрытие полосы люминесценции ионов Се³⁺ и полосы поглощения ионов Cr³⁺ создает необходимое условие для эффективной передачи энергии возбуждения от ионов Се³⁺ к ионам хрома и неодима при совместном их введении в монокристалл. Повышение КПД лазера достигается вследствие расширения эффективной полосы накачки активной среды за счет добавления полос поглощения ионов Се³⁺, а также повышение квантового выхода люминесценции ионов неодима за счет сенсибилизирующего действия ионов церия.

Положительный эффект достигается при любом содержании ионов Се³⁺, но не более 0,05 ф.е. При r>0,05 ф.е. имеет место эффект концентрационного тушения люминесценции ионов церия.

П р и м е р. Монокристаллический лазерный материал выращивали по методу Чохральского на установке "Донец-3". Гранатообразующие компоненты в шихте содержались в той же концентрации, что и в прототипе, а оксид церия в соотношении, близком к стехиометрическому. Вытягивание монокристалла осуществляли из иридиевого тигля при температуре Т_р ≈ 1720^оС со скоростью вытягивания 1,5-2,5 мм/ч и скоростью вращения 20-25 об/мин. Состав монокристаллов определяли методом рентгеновского микроанализа. Измерение спектрально-люминесцентных свойств проводили на полированных пластинах толщиной 2 мм. Спектры поглощения записывали на спектрометре СФ-20. Спектры люминесценции регистрировали с помощью монохроматора спектрометра ИКС-31 и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-62.

Испытание лазерных элементов проводили в режиме свободной генерации на переходе ⁴F_3/2 <196>>> ⁴1_11/3 ионов Nd³⁺. В качестве осветителя использовали импульсную ксеноновую лампу ИНП-5/60. Длительность импульса накачки на полувысоте составляла 250 мкм, длина резонатора 20 см. Торцы лазерных элементов не просветляли.

Результаты испытаний некоторых лазерных элементов приведены в таблице. Примеры конкретного выполнения свидетельствуют о повышении абсолютного КПД не менее чем в 1,4-3,2 раза по сравнению с прототипом, где абсолютный КПД составлял ≈1%
Использование предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет уменьшить тепловую нагрузку на лазерный элемент, поскольку большая часть энергии лампы накачки, которая раньше шла на нагрев лазерного элемента, расходуется на получение монохроматического излучения, а также повысить радиационную стойкость лазерных элементов при введении в состав лазерного материала церия.

Использование: в лазерной технике. Монокристал имеет состав; соответствующий химической формуле Gd_xNd_pCe_r(Ca, Sr)_yMg_zZr_uGa_vGr_qO₁₂, где 2,10 ≅ x ≅ 3,04; 0,20 ≅ y+z ≅ 0,70 0,20 ≅ u ≅ 0,70; 3,45 ≅ v ≅ 4,51; 0,01 ≅ p ≅ 0,25; 0,0001 ≅ r ≅ 0,05. Введение Ce³⁺ в качестве сенсибилизатора дополнительно к ионам Nd³⁺ обеспечивает повышение КПД лазера до 3,2 абс.%. 1 табл.

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ на основе гадолиний-галлиевого граната, содержащего ионы Nd³⁺ в качестве активатора, ионы Cr³⁺ в качестве сенсибилизатора, ионы щелочноземельных элементов Ca²⁺, Sr²⁺ и/или Mg²⁺ и ионы Lr⁴⁺, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия лазера, в качестве сенсибилизатора материал дополнительно содержит ионы церия Ce³⁺ и имеет состав, соответствующий химической формуле
Gd_x Nd_p Ce_r (Ca, Sr)_y Mg_z Lr_u Ga_v Cr_q O₁₂,
где 2,10 ≅ x ≅ 3,04;
0,20 ≅ y + z ≅ 0,70;
0,20 ≅ u ≅ 0,70;
3,45 ≅ v ≅ 4,51;
0,001 ≅ p ≅ 0,25;
0,0001 ≅ r ≅ 0,05.