АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ Российский патент 2010 года по МПК H01S3/20 

Изобретение относится к области создания новых жидких лазерных материалов, пригодных для использования в оптических квантовых генераторах (ОКГ) и оптических квантовых усилителях (ОКУ) как с традиционной оптической накачкой, так и с накачкой продуктами ядерных реакций.

Известен активный материал, активированный редкоземельными элементами для оптических квантовых генераторов и оптических квантовых усилителей (А.С. СССР № 330505, приоритет от 23.11.1966, МПК H01S 3/14. Белан В.Р., Жаботинский М.Е., Золин В.Ф. и др. Активный материал, активированный редкоземельными элементами, для оптических квантовых генераторов и оптических квантовых усилителей. Опубл. Бюл. №8, 1972). В известном техническом решении активный материал состоит из следующих ингредиентов, вес %:

хлорокись фосфора 15-90 галогениды металлов 1-60 редкоземельный элемент 0,1-25

Недостатком данного активного материала является то, что он не может быть использован для накачки продуктами ядерных реакций, так как не содержит в своем составе делящихся нейронами элементов.

Наиболее близким техническим решением к заявленному активному материалу является активный материал POCl₃-SnCl₄-Nd³⁺-UO² (Патент РФ № 2075143 от 20.06.1994, МПК H01S 3/20. Дьяченко П.П., Серегина Е.А., Тихонов Г.В. Активный материал для жидкостных лазеров и усилителей). Активный материал состоит из следующих ингредиентов, вес.%:

оксотрихлорид фосфора (POCl₃) 60-98 тетрахлорид олова (SnCl₄) 1-20, неодим 0,2-20 перхлорат уранила UO₂(ClO₄)₂ 0,1-10

Недостатками известного активного материала являются:

- относительно широкая линия люминесценции лазерного перехода 10-20 нм, что приводит к уменьшению сечения вынужденного излучения и к повышению порога генерации жидких ОКГ по сравнению с ОКГ на кристаллах.

- активный материал для ядерной накачки должен готовится по специальной технологии, так как содержит в своем составе делящийся материал уран-235.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно,

- получение активного материала с относительно узкой линией люминесценции лазерного перехода, что приводит к увеличению сечения вынужденного излучения и к понижению порога генерации жидких ОКГ;

- исключение специальных работ с ураном-235.

Для исключения указанных недостатков в активном материале для жидкостных оптических квантовых генераторов и усилителей на основе оксотрихлорида фосфора предлагается в состав активного материала вместо тетрахлорида олова и перхлората уранила ввести трихлорид бора BCl₃ и трифторацетат неодима Nd(CF₃CO₂)₃.

В частных случаях приготовления активного материала предлагается:

- во-первых, в активном материале обеспечить следующее соотношение ингредиентов, вес.%:

оксотрихлорид фосфора, POCl₃ 85-98 трихлорид бора, BCl₃ 1-10 трифторацетата неодима, Nd(CF₃CO₂)₃ 0,2-5

во-вторых, трихлорид бора может содержать изотоп ¹⁰B в количестве 20-95 вес.% от общего содержания изотопов бора.

Технический результат состоит в повышении выходной мощности лазерного излучения и в снижении себестоимости производимой продукции.

В активном материале трихлорид бора способствует растворению трифторацетата неодима в оксотрихлориде фосфора и вместе с ним образует матрицу, в которую встроены активные ионы неодима. Данная матрица создает благоприятное окружение для люминесцирующих ионов неодима, обеспечивая малую безызлучательную диссипацию энергии возбуждения этих ионов и слабое концентрационное тушение люминесценции.

Пример конкретного выполнения активного материала

Синтезирован активный материал POCl₃-BCl₃-Nd³⁺, содержащий в своем составе естественную смесь изотопов бора, при следующем количественном соотношении ингредиентов, в вес.%:

оксотрихлорид фосфора, POCl₃ 90 трихлорид бора, BCl₃ 8 трифторацетат неодима, Nd(CF₃COO)₃ 2

Из активного материал приготовлено 10 образцов, изучены его спектрально-люминесцентные характеристики как при оптическом возбуждении, так и в условиях возбуждения нейтронами на импульсном двухзонном реакторе БАРС-6 в ГНЦ РФ-ФЭИ.

Синтезированный активный материал имеет следующие характеристики:

время затухания люминесценции Nd³⁺, мкс 200 ширина полосы люминесценции Nd³⁺   по лазерному переходу ⁴F_3/2→⁴I_11/2, нм 5,2±0,1 сечение вынужденного излучения лазерного   перехода ⁴F_3/2→⁴I_11/2, см² 1,5·10^-19 линейный коэффициент поглощения на длине волны   лазерного перехода 1053 нм, см^-1 3·10^-3

Данный активный материал имеет в 2,5-3,0 раза меньшую ширину полосы люминесценции иона Nd³⁺, соответствующую лазерному переходу ⁴F_3/2→⁴I_11/2 Δλ=5,2±0,2 нм, и, следовательно, большее сечение вынужденного излучения данного лазерного перехода σ_e=1,5·10^-19 см², чем в других лазерных жидкостях. Увеличение сечения вынужденного излучения ведет к увеличению коэффициента усиления и значительному увеличению эффективности накачки Nd³⁺. Кроме того, естественный трихлорид бора содержит 20% изотопа ¹⁰B, концентрацию которого можно довести до 95% при использовании трихлорида бора, обогащенного по изотопу ¹⁰B. Благодаря большому сечению ядерной реакции ¹⁰B(n, α)⁷Li, при облучении нейтронами активного материала на ядерном реакторе появится возможность прямого преобразования энергии этой ядерной реакции в энергию лазерного излучения.

Активный материал содержит оксотрихлорид фосфора (РОСl₃), трихлорид бора (ВСl₃) и трифторацетат неодима Nd(CF₃CO₂)₃. Ингредиенты могут быть включены при следующем количественном соотношении, в вес.%: оксотрихлорид фосфора - 85-98, трихлорид бора - 1-10, трифторацетат неодима - 0,2-5,0. Трихлорид бора может содержать изотоп ¹⁰В в количестве 20-95 вес.% от общего содержания изотопов бора. Технический результат заключается в повышении выходной мощности лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы.

1. Активный материал для жидкостных оптических квантовых генераторов и усилителей на основе оксотрихлорида фосфора, отличающийся тем, что в состав входят трихлорид бора и трифторацетата неодима Nd(CF₃CO₂)₃.

2. Активный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит, вес.%:
оксотрихлорид фосфора (РОСl₃) 85-98 трихлорид бора (ВСl₃) 1-10 трифторацетата неодима Nd(CF₃COO)₃ 0,2-5,0

3. Активный материал по п.2, отличающийся тем, что трихлорид бора содержит изотоп ¹⁰В в количестве 20-95 вес.% от общего содержания изотопов бора.