ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к материалам, применяемым в квантовой электронике, в частности, к монокристаллам для высокоэффективных твердотельных лазеров с диодной накачкой, излучающих в диапазоне 1,06 мкм.

Одним из основных свойств хорошего лазерного материала, применяемого в твердотельных лазерах с диодной накачкой, является наличие интенсивной линии с высоким коэффициентом поглощения на длине волны накачки. Это может быть достигнуто путем введения в лазерный материал ионов активатора с высокой концентрацией.

Известен лазерный материал с химической формулой Nd:Y₃Al₅O₁₂. В Nd:Y₃Al₅O₁₂ максимальная концентрация ионов неодима составляет 1,1%, при этом коэффициент поглощения на длине волны накачки равен 10 см^-1. Получение Nd:Y₃Al₅O₁₂ с более высокой концентрацией ионов неодима невозможно из-за низкого коэффициента распределения неодима в объеме лазерного материала (А.А. Каминский, Л.К. Аминов, В.Л. Ермолаев и др. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. - М.: Наука, 1986, с. 249-253).

Известен лазерный материал, имеющий химическую формулу Nd:YVО₄. В Nd:YVО₄ оптимальная концентрация ионов неодима составляет менее 2%, максимальный коэффициент поглощения - 40 см^-1. При увеличении концентрации ионов неодима наблюдается большое количество включений в лазерном материале, вызывающих потерю оптического качества (Н.М.Dess, S.R.Botin. Czochralski Growth and Properties of Yttrium Vanadate Crystals. Transactions of the Metallurgical Society of ATME, 1967, Vol. 239, p. 359-361).

Известен лазерный материал, имеющий химическую формулу Nd:GdVO₄. При концентрации ионов неодима в Nd:GdVO₄ до 2% коэффициент поглощения составляет 74 см^-1 (А.И.Загуменный, В.И.Остроумов, И.А.Щербаков, Т.Йенсен, Я.П.Мейен, Г.Хубер. Кристаллы Nd:GdVO₄ - новый материал для лазеров с диодной накачкой. Квантовая электроника, 1992, т. 19, №12, с. 1149 и 1150).

Основным недостатком лазерного материала Nd:GdVO₄ является наличие центров рассеяния, вызывающих большие оптические потери (К.Shimamura, S.Uda, V.Kochurikhin, Т.Taniuchi, T.Fukuda. Growth and Characterization of Gadolinium Vanadate GdVО₄ Single Crystals for Laser Applications. Jpn. J. Applied Physics, 1996, Vol. 35, p. 1832-1835).

Известен лазерный материал, имеющий химическую формулу Nd:LaSc₃(BO₃)₄. Оптимальная концентрация ионов неодима составляет 10%, коэффициент поглощения неодима соответствует 36 см^-1 (G. Huber. Solid-State Laser Materials. Laser Sources and Applications, 10P Publishing, 1996, p. 141-162).

Наиболее близким аналогом к заявляемому лазерному материалу является ортоборат скандия ScBO₃ (К.И. Портной, Н.И. Тимофеева. Кислородные соединения редкоземельных элементов. - М.: Металлургия, 1986, с. 118-123).

Соединение ScBO₃ нельзя использовать как лазерный материал, активированный неодимом из-за малого ионного радиуса катиона скандия.

Технической задачей данного изобретения является получение лазерного материала с высокой концентрацией ионов неодима Nd и высоким оптическим качеством.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают путем создания лазерного материала на основе ортобората скандия (ScBO₃), в который согласно изобретению дополнительно введены катионы лантана La и/или церия Се и неодима Nd и он имеет формулу R_1-x-yNd_xSc_yBO₃, где R - La и/или Се, при этом стехиометрические коэффициенты в химической формуле выбирают в пределах 0,01<x<0,25; 0,5<y<0,9.

Более крупные катионы лантана и/или церия и неодима, участвующие в замещении, и их концентрация активно влияют на кристаллографические параметры матрицы лазерного материала: размеры узлов кристаллической решетки, длины связей. Это позволяет выращивать кристаллы ортоборатов с коэффициентом распределения катионов неодима, близким к единице.

Сущность предлагаемого лазерного материала раскрыта в нижеследующем описании и проиллюстрирована в таблицах и чертежах, где

в табл.1 приведены химический состав лазерного материала, условия его выращивания, время жизни верхнего лазерного уровня ⁴F_3/2 неодима и оценка его оптической однородности;

в табл.2 приведены основные характеристики предлагаемого лазерного материала в сравнении с лазерными материалами, уже применяемыми в твердотельных лазерах с диодной накачкой;

на фиг.1 показан спектр люминесценции лазерного материала;

на фиг.2 - спектр поглощения лазерного материала.

Монокристаллы предлагаемого лазерного материала были выращены методом Чохральского из расплава.

В качестве исходных компонентов для приготовления шихты использовались соответствующие оксиды металлов лантана La и/или церия Се и неодима Nd высокой степени чистоты, а именно Lа₂О₃, СеО₂, Nd₂O₃; Sc₂O₃; В₂O₃.

Компоненты шихты взвешивались, перемешивались и наплавлялись в иридиевый тигель.

Тепловой узел представлял собой систему керамических экранов из оксидов алюминия, циркония и иттрия. На начальной стадии кристаллы выращивались на иридиевую проволоку. В последующем из выращенных на иридиевую проволоку кристаллов изготавливались ориентированные монокристаллические затравки.

Скорость выращивания кристаллов составляла 1,5 мм/ч. Диаметр выращенных для исследований кристаллов составлял 15 мм, длина - 50 мм.

Замена лантана и/или церия на близкий по размерам ионного радиуса неодим позволило получить лазерный материал с высокой концентрацией неодима.

В процессе экспериментов по выращиванию кристаллов предлагаемой матрицы лазерного материала было установлено, что в кристаллах смешанных ортоборатов скандия, лантана и/или церия, начиная от температуры в точке кристаллизации и при последующем охлаждении выращенных кристаллов до комнатной температуры, не происходит полиморфных изменений.

Рентгеноструктурные исследования, проведенные на установке ДРОН-3, позволили установить, что предлагаемый лазерный материал кристаллизуется в моноклинной сингонии, предположительная пространственная группа Р2/m.

Как следует из табл.1, в выращенных монокристаллах лазерного материала при значениях стехиометрического коэффициента x меньше 0,01 коэффициент поглощения на длине волны накачки 808 нм недостаточно высок, а при x больше 0,25 верхний лазерный уровень ⁴F_3/2 неодима практически потушен. При значениях стехиометрического коэффициента у меньше 0,5 и больше 0,9 кристаллы не обладали достаточным оптическим качеством из-за образования в них центров рассеяния. Оценка оптического качества кристаллов лазерного материала проводилась при помощи гелий-неонового лазера и оптического микроскопа. С целью практического применения лазерный материал может быть получен со следующими значениями стехиометрических коэффициентов: 0,01<x<0,25 и 0,5<y<0,9.

Для исследования спектральных и генерационных характеристик лазерного материала были выбраны кристаллы состава La_0,2Nd_0,05Sc_0,75BO₃, Ce_0,2Nd_0,05Sc_0,75BO₃, La_0,1Ce_0,1Nd_0,05Sc_0,75BO₃.

Пик люминесценции неодима в лазерном материале, соответствующий лазерному переходу ⁴F_3/2 → ⁴I_11/2, находится в окрестности 1064 нм (фиг.1).

Максимальный пик поглощения неодима в лазерном материале, отвечающий переходу из основного состояния ⁴I_9/2 в возбужденное состояние ⁴F_5/2, расположен в окрестности 808 нм, коэффициент поглощения составляет 67 см^-1 (фиг.2).

Из монокристаллов лазерного материала были изготовлены плоскопараллельные полированные пластинки размерами 5×5 мм и толщиной 1 мм. На полированные стороны пластинок были нанесены диэлектрические оптические покрытия. На одну сторону было нанесено антиотражающее на длине волны 808 нм и одновременно высокоотражающее, 99,8%, на длине волны 1064 нм покрытие. На вторую сторону было нанесено 98% отражающее покрытие на длине волны 1064 нм. Таким образом, каждая из пластинок лазерного материала с оптическими покрытиями представляла собой плоскопараллельный лазерный резонатор Фабри-Перо.

Накачка лазерного материала осуществлялась лазерным диодом компании SDL мощностью 1 Вт с длиной волны излучения 808 нм. Излучение накачки фокусировалось с помощью оптической системы в пятно диаметром 50 мкм.

Получена генерация на длине волны 1064 нм в непрерывном режиме. Порог генерации для всех исследуемых образцов лазерного материала не превысил 20 мВт. При накачке максимальной накачке мощностью 1 Вт выходная мощность лазерного излучения составила 620 мВт для La_0,2Nd_0,05Sc_0,75BO₃, 618 мВт для Ce_0,2Nd_0,05Sc_0,75BO₃, 605 мВт для La_0,1Ce_0,1Nd_0,05Sc_0,75BO₃. Дифференциальный кпд лазерного излучения для всех трех образцов лазерного материала превысил 60%.

Как следует из результатов проведенных исследований и характеристик, приведенных в табл.2, предлагаемый лазерный материал является перспективным для применения в лазерах с диодной накачкой.

Изобретение относится к материалам, применяемым в квантовой электронике, в частности к монокристаллам для высокоэффективных твердотельных лазеров с диодной накачкой, излучающих в диапазоне 1,06 мкм. Лазерный материал на основе ортоборатов редкоземельных элементов и скандия, который имеет химическую формулу R_1-x-yNd_xSc_yBO₃, где R-La и/или Се, 0,01<х<0,25; 0,5<у<0,9. Обеспечено получение лазерного материала с высокой концентрацией неодима и высоким оптическим качеством. 2 ил., 2 табл.

Лазерный материал на основе ортобората скандия SсВO₃, отличающийся тем, что в него дополнительно введены катионы лантана La и/или церия Се и неодима Nd и он имеет химическую формулу R_1-x-yNd_xSC_yBО₃, где R-La и/или Се, 0,01<х<0,25, 0,5<у<0,9.