МАТРИЦА ЛАЗЕРНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2004 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к материалам, применяемым в квантовой электронике, в частности к монокристаллам, используемым в качестве матрицы лазерного материала для твердотельных лазеров с диодной накачкой.

Твердотельные лазеры с диодной накачкой и излучением в широком спектральном диапазоне нашли широкое применение в приборах различного назначения.

Дальнейшее повышение эффективности твердотельных лазеров с диодной накачкой невозможно без создания новых активных сред, обладающих эффективным поглощением в спектральном диапазоне диодного источника накачки. Высокие коэффициенты поглощения могут быть достигнуты увеличением концентрации активаторов и использованием эффекта сенсибилизации люминесценции. Разработка новых монокристаллических матриц с высокой изоморфной емкостью, способных обеспечить возможность введения в высокой концентрации различных лазерных активаторов, к которым относятся ионы переходных и редкоземельных металлов группы лантана, является актуальной задачей.

Известны ортобораты скандия и редкоземельных элементов лантана и церия SсВО₃, LaBO₃, СеВО₃ (К.И.Портной, Н.И.Тимофеева. Кислородные соединения редкоземельных элементов. - М.: Металлургия, 1986, стр. 118-123) и пример использования кристаллической матрицы SсВО₃ в качестве лазерного материала.

Например, известен лазерный материал Sc_1-xM_xBO₃, где 0<х≤0,4, а М - активатор (Патент РФ №2084997, кл. Н 01 S 3/16, 1993).

Рассматривать ScBO₃ как матрицу для создания лазерного материала с высокой концентрацией активной примеси можно только для группы переходных металлов, например Сr³⁺ Ti³⁺ V³⁺. Введение в SсВО₃ редкоземельных ионов активаторов Pr³⁺ Nd³+ Ho³⁺ Еr³⁺ Тm³⁺ Yb³⁺ в высокой концентрации не представляется возможным из-за низкой изоморфной емкости, связанной с малым ионным радиусом катиона скандия.

Соединения LаВО₃, СеВО₃ можно рассматривать как потенциальные лазерные матрицы с высокой изоморфной емкостью для редкоземельных ионов активаторов.

Однако получить ортобораты группы лантана прямым синтезом из оксидов невозможно (Б.Ф.Джуринский, Л.З.Гохман, В.И.Чистова. Способ получения ортоборатов церия, празеодима и тербия. - Неорганические материалы, 1981, т.17, №4, стр. 739-740). Это связано с тем, что для всех редкоземельных ортоборатов характерно большое количество неустойчивых полиморфных форм. В зависимости от температуры ортобораты кристаллизуются в изоструктурные кальциту формы арагонита и фатерита. Это не позволяет получить оптически однородные кристаллы редкоземельных ортоборатов, выращивая их непосредственно из расплава (Справочник “Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов”. - М.: Наука, 1985, т.5, ч.1, стр. 43-51).

Известен способ увеличения изоморфной емкости выращиваемых кристаллов. Увеличение изоморфной емкости кристалла достигается путем частичного замещения входящих в его состав катионов на катионы других элементов с меньшими или большими ионными радиусами, например, в кристаллах со структурой граната (D. Mateika, E. Voelkel, J. Haisma, "Czochralski growth from multicomponent melts of homogeneous mixed-gamet crystals". Journal of Crystal Growth, 1990, V.102, pp. 994-1013). Размеры катионов, участвующих в замещении, и их концентрация активно влияют на кристаллографические параметры матрицы лазерного материала: средние ионные радиусы, размеры узлов кристаллической решетки, длины связей. Это позволяет выращивать смешанные кристаллы с коэффициентом распределения различных катионов равным или почти равным единице.

Технической задачей данного изобретения является получение матрицы лазерного материала с высокой изоморфной емкостью, достаточной для использования ее в качестве лазерного материала с высокой концентрацией ионов активаторов переходных и/или редкоземельных металлов.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием матрицы лазерного материала на основе ортобората скандия SсВО₃, которая согласно изобретению дополнительно содержит катионы лантана La и/или церия Се и имеет химическую формулу R_1-xSс_xBO₃, где R - La и/или Се.

Изобретение характеризуется также тем, что стехиометрический коэффициент в химической формуле выбирают в пределах 0,9>х>0,5.

В предлагаемой матрице лазерного материала изоморфная емкость обеспечивается наличием в ней двух катионов с разными ионными радиусами. Ионные радиусы катионов лантана и/или церия близки по размерам к ионным радиусам большинства редкоземельных металлов, применяемых в качестве активаторов, а ионный радиус катионов скандия близок к размерам ионных радиусов катионов группы переходных металлов.

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.

Сущность предлагаемого лазерного материала раскрыта в нижеследующем описании и проиллюстрирована результатами, представленными в таблице, в которой указаны химический состав выращенных кристаллов матрицы лазерного материала и оценка их оптической однородности.

Монокристаллы предлагаемой матрицы лазерного материала были выращены методом Чохральского из расплава.

В качестве исходных компонентов для приготовления шихты использовались соответствующие оксиды металлов лантана La, церия Се, скандия Sc и бора В высокой степени чистоты, а именно Lа₂О₃, СеО₂, Sс₂O₃, В₂O₃.

Компоненты шихты взвешивались и наплавлялись в иридиевый тигель. Тепловой узел был изготовлен из оксидной керамики алюминия и циркония,

В качестве затравки использовалась иридиевая проволока, затем из выращенных на иридиевую проволоку кристаллов изготавливались ориентированные монокристаллические затравки.

Скорость выращивания кристаллов составляла 1,5 мм/час. Диаметр выращенных для исследований кристаллов составлял 20 мм, длина 50 мм.

Выращенные кристаллы бесцветны, со слабо выраженной огранкой.

В предлагаемой матрице лазерного материала оптическая однородность сохранялась при значениях стехиометрического коэффициента 0,5<х<0,9.

Оценка оптического качества кристаллов лазерного материала проводилась при помощи гелий-неонового лазера и оптического микроскопа.

Рентгеноструктурные исследования проводились на установке ДРОН-3. Они позволили установить, что предлагаемая матрица лазерного материала кристаллизуется в моноклинную сингонию, предположительная пространственная группа Р2/m.

Как следует из результатов проведенных исследований, предлагаемая матрица лазерного материала является перспективной для создания новых высококонцентрированных лазерных материалов, активированных ионами переходных и/или редкоземельных металлов.

Изобретение относится к материалам, применяемым в квантовой электронике, в частности к монокристаллам, используемым в качестве матрицы для твердотельных лазеров с диодной накачкой. Матрица лазерного материала представляет собой смешанный ортоборат лантана и/или церия и скандия с химической формулой R_1-xSc_xBO₃, где R-La и/или Се, 0,9>х>0,5. Обеспечено получение матрицы лазерного материала с высокой степенью изоморфной емкости, достаточной для использования ее в качестве лазерного материала с высокой концентрацией ионов активаторов переходных и/или редкоземельных металлов. 1 табл.

Матрица лазерного материала на основе ортобората скандия ScBO₃, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит катионы лантана La и/или церия Се и имеет химическую формулу R_1-xSc_xBO₃, где R-La и/или Се, 0,9>х>0,5.