ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ ЛАЗЕРОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК H01S3/11 

Изобретение относится к нелинейной оптике, а именно к материалам для лазерной техники.

Известно вещество для пассивных затворов лазеров на основе кристаллов лейкосапфира с центрами окраски [1]
Недостатком данного вещества является его недостаточно высокая теплопроводность и низкая термическая и фотохимическая устойчивость рабочих центров.

Центры отжигаются при температуре 600 К, а после 200 импульсов интенсивностью 500-700 МВт/см² концентрация рабочих центров снижается на 15-20%
От указанных недостатков свободен пассивный лазерный затвор, изготовленный из вещества на основе алмаза с GRI-центрами [2] Однако затворы на основе алмаза с GRI-центрами обладают очень высокой (около 800 МВт/см² ) пороговой интенсивностью насыщения и невысоким оптическим контрастом.

Цель изобретения понижение порога открывания и повышение оптической контрастности затвора.

Цель достигается тем, что вещество на основе кристалла алмаза с GRI-центрами окраски с концентрацией 10¹⁸-10²⁰ см^-3 дополнительно характеризуется равномерным распределением по объему примесного азота в виде А-дефекта с концентрацией не более 10¹⁹ см^-3; дополнительно характеризуется равномерным распределением по объему примесного азота в виде В2-дефекта с концентрацией не более 10¹⁷ см^-3; дополнительно характеризуется коэффициентом оптической анизотропии двупреломления не более 0,1; дополнительно характеризуется равномерным распределением по объему примесного азота в виде А-дефекта и В2-дефекта с концентрацией соответственно не более 10¹⁹ см^-3 и не более 10¹⁷ см^-3 и с коэффициентом оптической анизотропии двупреломления не более 0,1.

Известно, что интенсивность излучения, при которой происходит открывание затвора лазера I, определяется следующим образом:
I I_a + I_на, (1) где I_а интенсивность, расходуемая на насыщение центров окраски;
I_на интенсивность потерь, связанных с неактивным поглощением, рассеянием и т.д.

Известно также, что интенсивность насыщения центров окраски связана с временем жизни возбужденного состояния τ соотношением:
I_a= (2) где ℏ︀ постоянная Планка;
ω частота, на которой происходит переход;
σ сечение перехода.

Время жизни возбужденного состояния определяется временем излучательной τ_и и безызлучательной τ_би релаксации. Время безызлучательной релаксации всегда значительно короче (на порядки) безызлучательного, поэтому увеличение вклада безызлучательных процессов в переход приводит к уменьшению времени жизни возбужденного состояния и, соответственно, к увеличению насыщающей интенсивности. Контраст затвора можно охарактеризовать соотношением:
K (3) поэтому возрастание неактивно расходуемой интенсивности на рассеяние приводит к возрастанию I_на, следовательно, к снижению контраста.

Известно, что высокие концентрации А-дефекта (пар атомов азота, изоморфно замещающих углерод в алмазе) приводят к увеличению вклада безызлучательной релаксации в переходы на GRI-центре, что проявляется в уширении нульфононной линии в спектре.

Известна также зависимость ширины нульфононной линии центров от концентрации А-дефекта (см. Е.В.Соболев, О.П.Юрьева. Системы голубого свечения в алмазе. Сверхтвердые материалы, 1990, N 2, с;3-8). Из приведенного источника следует, что с уменьшением концентрации А-дефектов полуширина нульфононной линии уменьшается, что свидетельствует об уменьшении вклада безызлучательных процессов в переход и, следовательно, об увеличении τ Поэтому, чем меньше в кристалле А-дефектов, тем ниже порог открывания затвора и выше контраст. Однако, во-первых, беспримесные (безазотные) алмазы редки и дороги, во-вторых, при концентрациях А-дефектта не более 10¹⁹ см^-3А-дефекты уже не вносят существенного вклада в безызлучательные процессы, поэтому именно такие концентрации мы считаем допустимыми для вещества пассивных затворов лазеров на основе алмаза с GRI-центрами с пониженным порогом открывания и повышенным контрастом.

Другой распространенный примесный дефект в алмазе В2 является сегрегацией азотных атомов размером в единицы микрон, что больше длины волны излучения видимого диапазона, поэтому эти дефекты приводят к потерям на рассеяние излучения в кристалле и соответственно к возрастанию порога открывания затвора и понижению его контраста.

По этой причине содержание В2-дефекта в веществе должно быть возможно меньшим. В инфракрасной области спектра с концентрацией В2-дефекта связан пик поглощения при 1370 см^-1 (см. Г.Б.Бокий, Г.Н.Безруков, Ю.А.Клюев и др. Природные и синтетические алмазы. М. Наука, 1986, с.20). При концентрации В2-дефекта не более 10¹⁷ см^-3 пик в ИН-области не регистрируется приборами и рассеяния в кристалле не наблюдается. Поэтому в веществе для пассивных затворов лазеров на основе алмаза с GRI-центрами с пониженным порогом открывания и повышенным контрастом не должно содержаться В2-дефектов более чем 10¹⁷см^-3.

А- и В2-дефекты в алмазах чаще распределены неравномерно, что связано с изменяющимися условиями кристаллизации. При неравномерном распределении дефектов области с их более низким содержанием откроются раньше, а с более высоким позже, что приводит к затягиванию фронта формируемого импульса. Поэтому А- и В2-дефекты в веществе должны быть распределены равномерно.

Алмаз является кристаллом с кубической сингонией, следовательно, должен быть изотропным. Однако по ряду причин (например, из-за внутренних напряжений) алмазы чаще обладают аномальной анизотропией) двупреломления (см. А. В. Варшавский. Аномальное двупреломление и внутренняя морфология природных алмазов. М. Наука, 1968, с.168).

Аномальное двупреломление вызывает частичную деполяризацию распространяющегося в кристалле поляризованного по своей природе лазерного излучения. Поскольку для развития импульса генерации необходимо, чтобы после обхода резонатора частота, фаза и поляризация совпадали с первоначальными, то деполяризованная часть излучения выбывает из процесса генерации, что также равнозначно дополнительным оптическим потерям, которые увеличивают порог открывания затвора и ухудшают его контраст.

По аналогии с коэффициентом поглощения величину потерь α связанных с деполяризацией, можно охарактеризовать соотношением
α (4) где I_⊥- интенсивность излучения с изменившейся поляризацией;
I_II- интенсивность излучения с первоначальной плотностью поляризации;
d толщина кристалла.

В некоторых кристаллах величина α достигает нескольких единиц обратных сантиметров, что сравнимо или превосходит обычно используемые в затворах коэффициенты поглощения центров окраски, поэтому ясно, что такие кристаллы непригодны для использования. В затворах с высоким контрастом и низким порогом открывания величина потерь должна быть минимум на порядок ниже величины активного поглощения. При значении отношения I_⊥ /I_II не более 0,1 величина α не превышает 0,2 см^-1, что допустимо для затворов с низким порогом открывания и высоким контрастом, поэтому мы считаем, что для вещества затвора на основе алмаза с GRI-центрами величина коэффициента двупреломления не должна превышать 0,1.

П р и м е р. Из бесцветных кристаллов алмаза (прозрачных в области 550-750 нм) отобрали образцы, содержащие азот в виде А-дефекта с концентрацией не более 10¹⁹ см^-3. Определили в этих алмазах коэффициент поглощения излучения на длине волны 306 нм и рассчитали концентрацию по известной методике (см. Г. Б. Бокий и др. Природные и синтетические алмазы/. М. Наука, 1986).

Затем записали спектры поглощения отобранной группы кристаллов в инфракрасной области в диапазоне 1000-2000 см^-1 и отобрали индивиды, у которых отсутствует пик поглощения при 1370 см^-1, что свидетельствует, что в отобранных кристаллах не содержится азотных дефектов В2 в концентрациях более 10¹⁷ см^-3. Отобранную группу кристаллов исследовали методом люминесцентной томографии на однородность распределения дефектов по объему кристаллов по известной методике. При этом отобрали однородные по внутреннему строению кристаллы. Эти кристаллы затем исследовали на наличие оптической анизотропии по следующей методике. Поскольку кристаллы предназначались для изготовления из них пассивных затворов для лазера на основе рубина, то исследования анизотропии двупреломления проводили на длине волны 684 нм. Монохроматизированный свет пропускали через систему из двух поляроидов, подобранных так, что их оптическая плотность в скрещенном состоянии составляла более 4 относительно открытого положения. При этом ошибка измерений не составляет более 0,001. Между поляроидами устанавливали алмаз и вращением анализатора добивались минимального пропускания системы. Это значение фиксировали как I_⊥ затем вращали анализатор до тех пор, пока пропускание системы не становилось максимальным. Это значение фиксировали как I_II вычисляли отношение I_⊥ /I_II и выбраковывали образцы, для которых оно превышало 0,1.

Отобранные кристаллы и являются веществом для пассивных затворов лазеров на основе алмаза с GRI-центрами. Это вещество облучали электронами дозой 10¹⁸ эл/см², затем отжигали при температуре 600 К в течение 5 мин.

На фиг.1 показан спектр оптической плотности "случайного" кристалла (а) и вещества для затвора (б) после облучения и отжига.

Вещество для затвора имеет более низкое серое поглощение и, следовательно, меньшие оптические потери.

На фиг.2 показаны начальные участки кривых насыщения образцов (а) и (б). Кривые не завершены из-за опасности разрушения кристаллов.

Однако из кривых следует, что вещество для затворов (б) имеет более низкий порог насыщения и более высокий контраст по сравнению со случайным кристаллом (а).

Изготовление опытных образцов по каждому отдельному пункту формулы не проводилось, поскольку требует дополнительного расхода дорогостоящих алмазов, хотя ясно, что вещество по п.4 формулы будет превосходить остальные по п.1-3 по техническим характеристикам изготовленных из него затворов.

Использование: в нелинейной оптике, а именно в качестве материалов лазерной техники. Сущность изобретения: вещество представляет собой кристалл алмаза с GRI-центрами окраски с концентрацией 10¹⁸-10²⁰ см^-3 в котором равномерно распределен по объему примесный азот в виде A-дефекта с концентрацией не более 10¹⁹ см^-3 Вещество представляет собой кристалл алмаза с GRI-центрами окраски, в котором равномерно распределен по объему примесный азот в виде B2-дефекта с концентрацией не более 10¹⁷ см^-3 Вещество представляет собой кристалл алмаза с GRI-центрами окраски, в котором равномерно по объему распределен примесный азот в виде A-дефекта и B2-дефекта с концентрацией соответственно не более 10¹⁹ см^-3 и 10¹⁷ см^-3 и коэффициентом оптической анизотропии, двупреломление которого составляет не более 0,1. 3 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вещество для пассивных затворов лазеров на основе кристалла алмаза с GRI-центрами окраски и с примесным азотом, отличающееся тем, что в качестве основы оно содержит алмаз с равномерным распределением по объему примесного азота в виде А-дефекта с концентрацией не более 10¹⁹ см^-3. 2. Вещество для пассивных затворов лазеров на основе кристалла алмаза с GRI-центрами окраски и с примесным азотом, отличающееся тем, что в качестве основы оно содержит алмаз с равномерным распределением по объему примесного азота в виде В₂-дефекта с концентрацией не более 10¹⁷ см^-3. 3. Вещество для пассивных затворов лазеров на основе кристалла алмаза с GRI-центрами окраски и с примесным азотом, отличающееся тем, что в качестве основы оно содержит алмаз с равномерным распределением по объему примесного азота в виде А- и В₂-дефектов с концентрацией не более 10¹⁹ и 10¹⁷ см^-3 соответственно.