ЛАЗЕРНОЕ ВЕЩЕСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к материалам для лазерной техники, и предназначено для применения в твердотельных лазерах с длиной волны стимулированного излучения в интервале 2,8 3,1 мкм.

Известно лазерное вещество кристаллы галогенидов щелочных металлов, которые могут использоваться в качестве активной среды для лазеров с плавно перестраиваемой длиной волны генерации в трехмикронном диапазоне спектра [1] На кристаллах KCl: Li и RbCl:Li с F_A центрами окраски работают лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 2,5 ^oC 2,9 мкм и 2,7 ^oC 3,3 мкм соответственно.

К недостаткам кристаллов галогенидов щелочных металлов относится высокая растворимость этих кристаллов в воде, а также распад F_A центров окраски при температуре выше 200K. Эти факторы затрудняют практическое применение указанных кристаллов в лазерах с плавно перестраиваемой длиной волны генерации.

Известно вещество [1] на основе кристалла со структурой граната, состав которого выражается химической формулой Y, Er, Sc}₃ [Sc, Ga, Cr]₂(Ga)₃O₁₂
Указанное вещество используется в лазерах, излучающих на длине волны 2,80 мкм. При этом в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки 300 мк•с и коэффициенте отражения выходного зеркала (R) R=30% порог возбуждения генерации составляет 50 Дж, а дифференциальный КПД генерации 1% Генерация была получена также в резонаторе с дисперсионным элементом на отдельных межштарковских переходах на шести длинах волн, мкм: 2,64; 2,70; 2,80; 2,83; 2,86; 2,92.

Недостатком известного лазерного вещества является принципиальная недостижимость стимулированного излучения с плавно перестраиваемой длиной волны на кристаллах со структурой граната, содержащей ионы Er³⁺. Это объясняется тем, что спектр люминесценции ионов Er³⁺ состоит из отдельных ярко выраженных пиков, а в промежутках между пиками люминесценции ионы Er³⁺ имеют малую величину сечения генерационного перехода ⁴I_11/2 _→ ⁴I_13/2.
Известны также кристаллы алюминиевого граната, активированного ионами гольмияLu, Yb, Ho}₃[Al, Cr]₂ (Al)₃O₁₂ [3]
Стимулированное излучение на самонасыщающемся трехмикронном переходе ⁵I₆ _→ ⁵I₇ иона гольмия реализовано для следующих кристаллов алюминиевого гаранта, содержащих ионы Ho³⁺.

1.Lu, Ho}₃[Al)₃O₁₂, содержание ионов Ho³⁺ от 0,15 ф. ед. до 0,3 ф. ед.

2.Lu, Yb, Ho}₃[Al]₂(Al)₃O₁₂, содержание ионов Ho³⁺ 0,3 ф. ед. ионов Yb³⁺ 0,3 ф.ед.

3.Lu, Yb, Ho}₃[Al, Cr]₂(Al)₃)₁₂, содержание ионов Ho³⁺ 0,3 ф. ед. ионов Yb³⁺ 0,3 ф. ед. ионов Cr³⁺ 0,005 ф. ед.

Генерация была получена при длительности импульса возбуждения 60 мк•с Xe лампы ИСП-250 в конфокальном (600 мм) оптическом резонаторе с диэлектрическими зеркалами. Порог возбуждения стимулированного излучения составил 40-60 Дж для кристалла (1) и 10 11 Дж для кристаллов (2) и (3). Снижение порога достигнуто в результате добавления в кристалл ионов Yb³⁺ и Cr³⁺.

Одним из существенных недостатков этого лазерного вещества является то, что стимулированное излучение было получено только на одной длине волны 2,946 мкм.

В качестве прототипа можно выбрать лазерное вещество со структурой граната
Y,Sc,Yb,Ho}₃[Sc,Yb,Ga,Cr]₂(Ga)₃O₁₂, содержащее ионы гольмия в количестве до 0,013 ф. ед. [4] На ионах Ho³⁺ вY,Sc,Yb,Ho}₃[Sc,Yb,Ga,Cr]₂(Ga)₃0₁₂ кристалле со структурой граната, содержащем 0,012 ф. ед. ионов Ho³⁺, была осуществлена генерация по каскадной схеме: ⁵I₆ _→ ⁵I₇ _→ ⁵I₈ В трехмикронном диапазоне (переход ⁵I₆ _→ ⁵I₇ иона Ho³⁺) получено стимулированное излучение на нескольких длинах волн, наиболее сильные из которых 2,84, 2,89 и 2,93 мкм. При длительности импульса накачки 350 мк•с пороги генерации составляли 16, 20 и 24 Дж соответственно. В двухмикронном диапазоне (переход ⁵I₇ _→ ⁵I₈ иона Ho³⁺) лазер излучал на одной длине волны 2,08 мкм. Порог генерации составлял 49 Дж.

Недостатками прототипа являются низкая эффективность генерации в трехмикронном диапазоне спектра, которая ограничивается ступенчатой сенсибилизацией, в результате чего КПД лазера не превышает 0,1% а также невозможность реализовать генерацию с плавно перестраиваемой длиной волны в широком диапазоне спектра.

Технической задачей изобретения является повышение коэффициента усиления лазерного вещества, уменьшение порога возбуждения генерации, повышение КПД генерации лазеров с длиной волны стимулированного излучения, лежащей в трехмикронном диапазоне спектра и расширение арсенала технических средств, реализующих генерацию с плавно перестраиваемой длиной волны излучения в диапазоне 2,8 -3,1 мкм, в том числе работающих в режимах генерации и усиления импульсов в диапазоне излучения 2,8 3,1 мкм. В конкретных формах выполнения задачей изобретения является также предотвращение растрескивания кристалла, уменьшение рассеяния, увеличение радиационной стойкости, уменьшение пассивного поглощения в диапазоне 0,8 1,3 мкм.

Технический результат достигается вследствие уменьшения эффективности ступенчатой сенсибилизации ионов гольмия за счет повышенной по сравнению с прототипом концентрацией гольмия в кристалле. Уменьшение эффективности ступенчатой сенсибилизации гольмия проводит к возрастанию эффективности трехмикронного канала генерации гольмия в данном веществе по сравнению с аналогами и прототипом. Высокая эффективность трехмикронного канала генерации гольмия является необходимым условием для реализации стимулированного излучения на ионах Ho³⁺ c плавно перестраиваемой длиной волны излучения в диапазоне 2,8 3,1 мкм.

В конкретных формах выполнения изобретения технический результат - повышение КПД, снижение порога генерации, а также повышение коэффициента усиления лазерного вещества достигается в результате увеличения радиационной стойкости, предотвращения растрескивания кристалла, уменьшения пассивного поглощения в области 0,8 1,3 мкм данного вещества по сравнению с прототипом путем дополнительного введения в вещество по крайней мере одного из элементов группы: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi. Как радиационная стойкость, так и пассивное поглощение обусловлены наличием вакансий в кислородной подрешетке кристалла, которые образуются в результате дефицита галлия в кристаллах со структурой граната. Дефицит галлия является неотъемлемым (природным) свойством галлиевых гранатов [S.E.Stokowski, M.H.Randles, and R.S.Morris "Growth and Characterization of Large Nd, Cr: GSGG Crystals for High-Average-Power Slab Lasers" IEEE Journal of Quantum Electronics vol. 24 (1988) p. 934-948] Добавление в необходимом количестве в лазерное вещество ионов, имеющих устойчивую степень окисления +4, +5 (например, Si, Ti, V, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Bi, W) позволяет уменьшить количество кислородных вакансий в кристалле. Добавление в необходимом количестве в лазерное вещество одно- и двухвалентных примесей, таких как Li, Mg, Ca, Na, B, Fe, Co, Ni, K, Cu, Be, Ge, Rb, Zn, Sr, предотвращает растрескивание кристалла, которое вызвано различием ионных радиусов вакансий и ионов-элементов.

В лазерном веществе на основе известных кристаллов со структурой граната с химической формулой A,Ho}₃[B]₂(C)₃O₁₂,
где A Yb и по крайней мере один из элементов группы Y, La, Ce, Gb, Lu, Sc, Tb, Eu;
Ho элемент Ho;
B по крайней мере один из элементов группы Sc, Ga, In, Lu, Al, Gb, Yb, Y, Cr, Tb, Eu;
C элемент Ga или смесь элементов Ga и Al, причем количество Al не более половины смеси,
в предлагаемом веществе гольмия содержится в количестве от 0,025 ф. ед. до 2,95 ф. ед.

Нижняя граница для гольмия определяется тем, что при содержании Ho в количестве менее чем 0,025 ф.ед. эффективность генерации на трехмикронном переходе ⁵I₆ _→ ⁵I₇ ионов Ho³⁺ становится незначительной вследствие усиления процесса ступенчатой сенсибилизации, в результате которого заселяется метастабильное состояние, состоящее из высоколежащих уровней ⁵S₂ и ⁵F₄ ионов Ho³⁺. В результате КПД лазера становится низким (менее 0,1%).

Верхняя граница содержания гольмия в кристалле определяется исходя из того, что при содержании гольмия больше чем 2,95 ф. ед. эффективность передачи энергии накачки от ионов иттербия к ионам гольмия снижается, что выражается в резком уменьшении КПД, до 0,1%
Лазерное вещество, включающее гольмий Ho в указанном количестве, дополнительно содержит по крайней мере один из элементов группы: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi в количестве от 1•10¹⁷ см^-3 до 5•10²⁰ см^-3.

Нижняя граница для этих элементов определяется тем, что при концентрации ниже указанного предела технического результата, заключающегося в предотвращении растрескивания кристалла, увеличении радиационной стойкости и в уменьшении пассивного поглощения в области 0,8 1,3 мкм не наблюдается.

Верхняя граница для этих элементов определяется их максимально возможным содержанием в кристаллах со структурой граната. При содержании их выше указанного предела происходит разрушение структуры граната.

На фиг.1 представлена зависимость энергии генерации лазера на кристалле N 3 от энергии накачки в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки 300 мк•с и различных коэффициентах отражения выходного зеркала (кривая R 30% Ho³⁺ и кривая 80% Ho³⁺). Для сравнения здесь же представлены результаты проведенных в тех же условиях генерационных исследований лазерного элемента такого же размера, изготовленного из кристаллаY,Er,Sc} ₃[Sc,Cr,Ga]₂(Ga)₃O₁₂ (кривые R 30% Er³⁺ и R 80% Er³⁺) второй аналог.

Сравнение энергетических характеристик лазеров показывает, что при различных коэффициентах отражения выходных зеркал лазер на кристалле N 3 имеет меньший по сравнению с аналогомY,Er,Sc}₃[Sc,Cr,Ga]₂(Ga)₃O₁₂ порог генерации и большую эффективность при низких уровнях накачки. Кроме того, порог генерации лазера на кристалле N 3 в меньшей степени зависит от коэффициента отражения выходного зеркала, что указывает на более высокий коэффициент усиления активной среды и соответственно сечение перехода.

На фиг. 2 приведена зависимость коэффициента усиления в кристаллах N 3 и Y,Sc}₃[Sc,Cr,Ga]₂(Ga)₃O₁₂ Er³⁺ от энергии накачки. Более высокий коэффициент усиления имеет кристалл N 3.

На фиг.3 представлена зависимость порога генерации лазера на кристалле N 6 от длины волны генерации для различных коэффициентов отражения выходного зеркала (кривая 1 для глухого резонатора, кривая 2 для зеркала с R 30%). Полученные данные демонстрируют возможность плавной перестройки длины волны выходного излучения соответственно в пределах 2,83 3,05 мкм (кривая 1) и 2,84 3,00 мкм (кривая 2).

На фиг.4 представлена зависимость энергии генерации лазера на кристалле N 5 от энергии накачки в режиме свободной генерации при генерации на различных длинах волн (кривая 1 2,856 мкм, кривая 2 2,892 мкм, кривая 3 2,988 мкм). Длительность импульса 300 мк•с, а коэффициент отражения выходного зеркала 60% В резонаторе лазера использовалась призма из Ge в качестве дисперсионного элемента для селекции длины волны выходного излучения. Уменьшение эффективности генерации по сравнению с генерацией без дисперсионного элемента связано с потерями на гранях призмы вследствие деполяризации излучения и с двухфотонным поглощением в материале призмы. Однако эти технические проблемы не относятся к активной среде лазера, их можно устранить подбором соответствующего материала для призмы и конструкцией резонатора.

Выращивание кристаллов со структурой граната осуществлялось по общей схеме посредством вытягивания из расплава. Например, для получения кристалла гадолиний-иттербий-гольмий-иттрий-тербий-скандий галлиевого граната, химическая формулаGb,Yb,Ho,Y,Tb,Sc}₃ [Sc,Ga]₂(Ga)₃O₁₂, дополнительно содержащего кремний и магний, использовался следующий способ. Исходные реактивы: оксид гадолиния, оксид иттербия, оксид гольмия, оксид иттрия, оксид тербия, оксид скандия и оксид галлия тщательно перемешивали, прессовали в таблетки и синтезировали в платиновом тигле в течение 10 ч при 1200^oC. Затем посредством индукционного нагрева таблетки расплавляли в иридиевом тигле в герметичной камере в атмосфере 98 об. N₂ + 2 об. O₂. Перед выращивание в расплав добавляли оксид кремния и магния. Кристаллы вытягивали из расплава объемом 300 см³ со скоростью 4 мм/ч, частота вращения кристалла 40 об/мин. После отрыва выращенного кристалла от расплава кристалл постепенно охлаждали до комнатной температуры в течение 40 ч.

Примеры конкретных составов выращенных кристаллов и прототипа приведенны в табл. 1.

Экспериментальные исследования генерационных характеристик приводились на активных элементах, изготовленных из выращенных кристаллов. Размер активных элементов: диаметр 4 мм и длина 55 мм. Для сравнения параметров лазерного излучения активные элементы аналогичного размера изготавливались из кристалла со структурой гранатаY,Sc,Yb,Ho}₃[Sc,Yb,Ga,Cr]₂(Ga)₃O₁₂ прототип и Y,Er,Sc}₃ [Sc,Cr,Ga]₂ (Ga)₃O₁₂ аналог, который не содержит ионов гольмия, но имеет наилучшие среди известных кристаллов со структурой граната лазерные характеристики при генерации в трехмикронной области спектра. Торцы активных элементов были без просветляющих покрытий. Емкость накопительных конденсаторов 200 мкф. Активный элемент накачивался лампой ИНП-5/45 в кварцевом эллиптическом осветителе с размерами 28 x 30 x 50 мм. Засвечиваемая часть кристалла 48 мм. Активный элемент охлаждался 0,1%-ным раствором двухромовокислого калия в дистиллированной воде.

Для получения генерации на отдельных длинах волн трехмикронного диапазона использовался резонатор лазера длиной 200 мм, образованный медным сферическим зеркалом с радиусом кривизны 1000 мм и диэлектрическими зеркалами либо плоским с R 30% либо сферическим, с радиусом кривизны 1000 мм R 80%
При описанных условиях испытаний лазер на кристалле со структурой граната, содержащего гольмий Ho, имеет меньший по сравнению с кристаллом, содержащим эрбий порог генерации и большую эффективность при низких уровнях накачки фиг.1, а, кроме того, более высокий коэффициент усиления и соответственно сечение перехода. Лазер генерирует на нескольких штарковских подуровнях перехода ⁵I₆ _→ ⁵I₇ . Длины волн генерации составляют, мкм: λ₁ 2,842; λ₂ 2,888; λ₃ 2,926; λ₄ 2,973; λ₅ 2,973; λ₆ 3,057 мкм. Процентное соотношение энергии генерации для различных длин волн составляет, 11, 7, 44, 18, 18 и 2 соответственно (при этих измерениях не учитывается различная для этих длин волн величина поглощения в воздухе на длине оптического пути 2,5 м).

Коэффициент усиления лазерного вещества рассчитывался из величины пороговой энергии накачки для выходного зеркала с различным коэффициентом отражения выходного зеркала. Результаты расчета величины коэффициента усиления при энергии накачки 25 Дж для кристаллов различного состава представлены на фиг.2 и сведены в табл.2.

Для получения генерации с плавно перестраиваемой длиной волны в диапазоне 2,8 3,1 мкм резонатор лазера был образован плоским диэлектрическим зеркалом с R 99,8% и одним из зеркал: медным или диэлектрическим с R 30 и R 60% соответственно. В качестве дисперсионного элемента в резонаторе лазера использовалась призма из Ge. Излучение падало на грани призмы под углом Брюстера. Поворотом зеркала производилась перестройка длины волны выходного излучения лазера. Излучение, частично отраженное от грани призмы, попадало на фотоприемник для контроля порога генерации. На зеркало, посредством которого производилась перестройка длины волны выходного излучения лазера, направлялся луч He-Ne лазера. По положению отраженного луча на шкале определялась длина волны генерации. Шкала длины волны калибровалась при генерации лазера с выходным зеркалом, имеющим R 30% с помощью монохроматора и фотоприемника. В глухом резонаторе, образованном выходным зеркалом с R 99,8% лазер позволяет плавно перестраивать длину волны выходного излучения в пределах 2,83 3,05 мкм. При использовании выходного зеркала с R 30% получается плавная перестройка длины волны выходного излучения в пределах 2,84 3,00 мкм (фиг.4). Ширина линии генерации менее 0,03 мкм.

Для сравнения основные свойства выращенных кристаллов и прототипа, а также результаты лазерных испытаний приведены в табл.2.

Использование: в квантовой электронике, а именно в лазерной технике и предназначено для применения в твердотельных лазерах с длиной волны генерации в интервале 2,8 - 3,1 мкм. Сущность: В лазерном веществе со структурой граната содержится 0,025 - 2,95 ф.ед. гольмия, а также дополнительно содержится по крайней мере один из элементов группы: Li, Be, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, MoW, Ta, Hf, Bi в количестве 1 • 10¹⁷ - 5 • 10²⁰ см^-3. 4 ил., 2 табл.

Лазерное вещество на основе кристалла со структурой граната, включающего гольмий Но, состав которого выражается химической формулой
A, Ho}₃[B]₂(C)₃O₁₂,
где A Yb и по крайней мере один из элементов группы Y, La, Ce, Gd, Lu, Sc, Tb, Eu;
В по крайней мере один из элементов группы Sc, Ga, In, Lu, Al, Gd, Yb, Y, Cr, Tb, Eu;
С элемент Ga или смесь элементов Ga и Al, причем количество Al не более половины смеси,
отличающееся тем, что оно содержит гольмий Но в количестве 0,025 2,95 ф. ед. а также оно дополнительно содержит по крайней мере один из элементов группы Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi в количестве 1 • 10^1 7 5 • 10^2 0 см^- 3.