АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к активным материалам для оптических квантовых генераторов и усилителей и может быть использовано в тонкопленочных лазерах, предназначенных для применения в интегральной оптике.

Лазерные кристаллы с высокой концентрацией неодима позволяют использовать активные элементы небольших размеров. Аналогом предложенного материала являются высококонцентрированные неодимовые кристаллы NdP₅O₁₄[1] Эти кристаллы имеют аномально слабое тушение люминесценции, несмотря на высокую концентрацию неодима (более 4•10²¹ частиц/см^-3), дают генерацию при комнатной температуре на линиях 750, 810 и 870 нм с низким порогом, но незначительной энергией излучения. Кроме того, изготовление этих материалов связано со значительными технологическими трудностями.

Наиболее близким к предлагаемому активному материалу по технической сущности и достигаемому результату являются двойные фосфаты, отвечающие формуле Na₃Nd(PO₄)₂ , состава, мол. Na₂O 50,0; P₂O₅ 33,33; Nd₂O₃ 16,67 [2]
Однако эти кристаллы обладают невысоким временем затухания люминесценции (21 23 мкс) и низкой энергией излучения (Na₃ Nd(PO₄)₂ 9 от интенсивности свечения иттрий-алюминиевого граната (ИАГ)). Соединения состава M₃Nd(PO₄)₂ на основе оксидов щелочных металлов, оксида неодима и оксида фосфора (V) построены на основе структуры β - K₂SO₄.

Задачей изобретения является получение активных материалов для оптических лазеров с повышенной энергией излучения и сравнительно большим временем жизни люминесценции. Предложенные активные материалы для оптических квантовых генераторов содержат, мол. Na₂O 16,7 26,5; R₂O₃ 5,6 - 8,8, где R Nd, Pr; CaO 35,3 50,0; P₂O₅ 27,8 29,4. Содержание в активном материале CaO приводит к получению нового соединения состава Са₃Na₃R(PO₄)₄, где R Nd, Pr. Это соединение построено на основе b K₂SO₄. В нем атомы неодима расположены в определенных кристаллографических позициях. Вхождение в кристаллическую решетку катионов кальция и тетраэдров РО₄ приводит к увеличению расстояния Nd Nd, увеличению времени жизни и энергии излучения. С помощью методов рентгенографического анализа, ИК-спектроскопии установлены пределы существования соединения Са₃Na₃Nd(PO₄)₄ в ряду Са₃(PO₄)₂-Na₃Nd(PO₄)₂, что составляет 40 60 мол. Сa₃(PO₄) ₂, или в пересчете на компоненты, мол. Na₂O 16,7 26,5; Nd₂O₃ 5,6 8,8; CаO 35,3 50,0; P₂O₅ 27,8 29,4. Это позволяет получать активные материалы для оптических квантовых генераторов с различным соотношением времени жизни люминесценции и интенсивности излучения.

При изменении соотношения компонентов в указанных пределах может наблюдаться смещение по составу с разреза Ca₃(PO₄)₂-Na₃Nd(PO₄)₂ в многокомпонентной системе Na₂O-Nd₂O₃-CaO-P₂O₅, что приводит к образованию нескольких фаз. Это делает невозможным использование таких смешанных фосфатов в качестве материалов для оптических квантовых генераторов. Изоструктурность соединений состава Ca₃Na₃R(PO₄)₄, где R редкоземельные элементы, позволяет изменять концентрацию активных ионов за счет вхождения ионов-разбавителей R' с образованием твердых растворов Ca₃Na₃R_1-XR'_X(PO₄)₄ (R Nd, Pr, R'=La, Gd, Lu), где 0≅X<1. Особенность строения этого соединения обуславливает вхождение атомов редкоземельных элементов в одни и те же кристаллографические позиции, что позволяет получать кристаллы с различным соотношением времени жизни люминесценции и энергии излучения.

Пример 1. В качестве исходных компонентов для синтеза кристаллов Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄ используют, мол. Na₂CO₃ 16,67; CaCO₃ 33,33; Nd₂O₃ 7,14; (NH₄)₂HPO₄ 44,44, что приводит к получению тройного фосфата с содержанием компонентов, мол. Na₂0 21,4; Nd₂O₃ 7,1; CaO 42,8; P₂O₅ 28,6. Фосфат получают отжигом при 1150^oС в течение 50 100 ч. Кристаллы Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄ получают рекристаллизацией при изотермическом отжиге при температуре 1300 1400^oC. Рентгенографические исследования показали, что полученное соединение кристаллизуется в ромбической сингонии и относится к структурному типу b K₂SO₄. Полученные кристаллы Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄ имеют время жизни люминесценции 31 мкс, энергию излучения по отношению к иттрий-алюминиевому гранату (ИАГ) 23%
Пример 2. По приведенному выше способу получают тройной фосфат состава, мол. Na₂O 26,5; Nd₂O₃ 8,8; CaO 35,3; P₂O₅ 29,4. Полученные кристаллы имеют спектр люминесценции и рентгенографические характеристики, соответствующие Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄. Время жизни образца 23 мкс, энергия излучения по отношению к ИАГ 13%
Пример 3. По способу, приведенному в примере 1, получают кристаллы состава, мол Na₂O 16,7; Nd₂O₃ 5,6; CaO 50,0; P₂O₅ 27,8, характеризующиеся спектром люминесценции, соответствующим Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄. Время жизни люминесценции кристаллов 44 мкс, энергия излучения по отношению к ИАГ 24%
Положительный эффект достигается за счет вхождения ионов активатора Pr, Nd в состав кристаллической решетки соединения Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄ с изменением состава в указанных пределах, что позволяет получать кристаллы с различным соотношением времени жизни люминесценции и энергии излучения. Структурные особенности соединений дают аномально слабое тушение люминесценции. Так, концентрация ионов неодима для опытных кристаллов (соединение Ca₃Na₃Nd(PO₄)₄ на 1 см³ составляет 2.7•10²¹ частиц, что в 20 раз превышает оптимальную концентрацию в известных кристаллах иттрий-алюминиевого граната.

Таким образом, предлагаемый активный материал для оптических квантовых генераторов, состоящий из кристаллов, мол. Na₂O 16,7 26,5; R₂O₃ 5,6 8,8, где R Nd, Pr; CaO 35,3 50,0; P₂O₅ 27,8 29,4, имеет достаточно большое время жизни возбужденного состояния, которое составляет до 44 мкс, при высокой концентрации активных ионов 2,7 •10²¹ и обладает высокой энергией излучения по отношению к аналогам (23 24% интенсивности от ИАГ).

Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: активный материал на основе оксидов натрия, фосфора и редкоземельного элемента дополнительно содержит оксид кальция при определенном соотношении ингредиентов.

Активный материал для оптических квантовых генераторов, содержащий оксид натрия Na₂O, оксид редкоземельного элемента R₂O₃, оксид фосфора (V), отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид кальция при следующем соотношении, мол.

Na₂O 16,7 26,5
R₂O₃ (где R Nd, Pr) 5,6 8,8
CaO 35,3 50,0
P₂O₅ 27,8 29,4х