МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ДИСКОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2016 года по МПК H01S3/16 C30B29/28 

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности для твердотельных дисковых лазеров с диодной накачкой.

Среди материалов для активированных лазерных элементов с полупроводниковой накачкой наибольшее распространение получили элементы из монокристаллов Y₃Al₅O₁₂ (YAG), активированные различными ионами редкоземельных элементов. Например, широкое применение кристаллов YAG:Nd обусловлено сочетанием максимальных пиковых показателей сечения излучения и поглощения в спектральном диапазоне 0,8-1,06 мкм, высокой оптической однородностью и эксплуатационными характеристиками (высокая теплопроводность, малый коэффициент теплового расширения, высокая твердость и др.). Однако для создания мощных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой наиболее приемлемыми являются кристаллы YAG:Yb³⁺ с длиной волны генерации λ=1,029 мкм (длина волны накачки λ_р=0,97 мкм), позволяющие получать квантовую эффективность до 89%. Такой выбор определяется, прежде всего, меньшими стоксовыми потерями по сравнению с материалом YAG:Nd и, как следствие, меньшими потерями энергии на негативные тепловые эффекты с повышением мощности накачки оптического излучения. К негативным тепловым эффектам в активных элементах относятся оптические искажения и механические разрушения. [Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой / Н.В. Кравцов // Квантовая электроника.-2001. - Т. 31. - №8. - С. 661-677].

Известен монокристаллический алюмоиттриевый гранат, Yb_0,6:Er_0,06:Y_2,34Al₂(AlO₄)₃ с равномерным профилем легирования ионами эрбия и иттербия. Данный лазерный материал широко используется в лазерной промышленности на протяжении нескольких десятилетий. Наряду с высокими теплофизическими характеристиками, кристаллы YAG, легированные эрбием, обладают одним из самых высоких коэффициентов усиления среди кристаллических матриц: α=5-6 см^-1 [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 75-79].

К недостаткам монокристаллического алюмоиттриевого граната с однородным распределением оптических примесей относится малая эффективность оптической продольной накачки и невысокий квантовый выход лазерного излучения, что обусловлено кросс-релаксацией электронного возбуждения, ап-конверсией и реабсорбцией лазерного излучения. Развитие этих эффектов приводит к снижению скорости безызлучательного переноса энергии от ионов-доноров Yb³⁺ к активным лазерным ионам Er³⁺, в связи с чем уменьшается эффективность генерации индуцированного излучения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является алюмоиттриевый гранат YAG:Yb³⁺ с концентрацией оптической примеси равной 15%, применяемый в качестве активного элемента (АЭ) в дисковых лазерах. [K. Contag, U. Brauch, A. Giesen, I. Johannsen, M. Karszewski, U. Schiegg, C. Stewen, A. Voss. Multihundred-watt diode-pumped Yb:YAG thin disc laser. - (Proceedings Paper). - Proceedings 1997. - Vol. 2986. - Solid State Lasers VI. - Richard Scheps, Editors. - рр. 2-9]. Так как поглощение оптических центров Yb, порядка 90% торцевой накачки, излучение поглощается на расстоянии 3-5 мм длины активного элемента. Поэтому в дисковых лазерах толщина активного элемента на монокристаллическом материале YAG:Yb не превышает 200 мкм, что дополнительно позволяет обеспечивать продольному лазерному излучению температурный градиент в активной среде и позволяет сохранять достаточно высокое качество лазерного излучения при увеличении плотностей мощности излучения накачки.

Однако при увеличении мощности оптического излучения накачки полностью избавиться от эффекта оптических искажений в материале активного элемента с распределением температурного поля между многослойной системой металл-диэлектриков и материалом активного лазерного элемента не удается.

Для предотвращения нежелательных тепловых эффектов необходимо обеспечить одно из условий:

- или эффективный отвод тепла от активного элемента;

- или условия для равномерного перераспределения теплового поля между активным лазерным элементом и многослойными металл-диэлектрическими покрытиями (количество слоев более 30) с минимальными температурными сопротивлениями.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является сглаженное распределение теплового поля внутри АЭ (отсутствие тепловой линзы) и увеличение предельного размера генерируемого объема в АЭ.

Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия, исходные компоненты взяты в соответствии со структурной формулой:

Yb_a(z):Y₃._a(z)Al₅0_I2,

где:

- функция изменения концентрационного профиля,

z - ось направления формирования концентрационного профиля кристалла, 0<z<l,2.

В заявляемом монокристаллическом материале и в прототипе исходные компоненты взяты одинаковые, а отличаются они их количественным составом и его распределением по длине активного элемента, что обеспечивает заявляемый технический результат.

На фиг. 1 представлены графики концентрационных профилей распределения ионов иттербия вдоль длины кристалла, а именно:

=3,509e^z - 2,8395 - функция изменения концентрационного профиля по убывающей экспоненте - график 1

- функция изменения концентрационного профиля по усеченной параболе - график 2;

- функция изменения концентрационного профиля по линейно нарастающему закону - график 3;

числовые коэффициенты в функции a(z) для концентрационных профилей подобраны таким образом, чтобы средняя степень легирования активного элемента соответствовала 3,5·10²⁰ см^-3.

На фиг. 2 изображены распределения теплового поля в градиентно активированных элементах с различными функциями a(z) концентрационных профилей оптических центров.

На фиг. 3 изображен концентрационный профиль оптической примеси, в процессе выращивания градиентно активированного кристалла.

Получали образцы монокристаллического материала по способу, описанному в патенте RU №2402646, МПК С30В 15/20 (2006.01), С30В 15/02 (2006.01), С30В 15/12 (2006.01), опубл. 27.10.2010. Шихта алюмоиттриевого граната состава Yb³⁺:Y₃Al₅O₁₂ изготавливалась из оксида иттрия массой 201,56 г и оксида алюминия массой 151,69 г. При расчете шихты рассчитывали массу расплава в тигле-реакторе по формуле (2), при учете глубины погружения тигля-реактора диаметром 3,2 см в расплав основного тигля на величину 1 см.

где:

S_i - площадь поперечного сечения тигля-реактора;

ρ - плотность расплава.

Для обеспечения заданного концентрационного профиля (фиг. 1, график 2) ионов Yb³⁺ в расплав тигля-реактора досыпали 1,49 г оксида иттербия.

Линейная скорость вытягивания кристалла 1 мм/ч, линейную скорость опускания тигля-реактора во время вытягивания изменяли от 0 мм/ч до 0,11 мм/ч.

Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава вычисляли в соответствии с выражением:

где:

N_c - число частиц в кристалле;

m_c - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла, г;

N_i - число частиц в тигле-реакторе;

m_i - масса расплава в тигле-реакторе, г;

k - коэффициент вхождения компонента из расплава в кристалл;

- параметр подпитки;

V₁ - массовая скорость расплава, поступающего из основного тигля в тигель-реактор, г/ч;

V_cr - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.

Распределение концентраций ионов иттербия вдоль длины кристалла представляет собой зависимость, представленную на фиг. 3.

Влияние концентрационного профиля ионов Yb³⁺ в монокристаллических оксидных матрицах Y₃Al₅O₁₂ на распределение теплового поля и тепловые градиенты в активированных элементах представлены в таблице 1.

Расчеты профиля теплового поля в активном элементе проводились в соответствии с программой для ЭВМ «Интерактивный комплекс расчета тепловых и генерационных параметров в градиентных лазерных кристаллах» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618765). В соответствии с данными математического моделирования процесса лазерной генерации [Строганова Е.В. Увеличение эффективности накачки при использовании градиентно сенсибилизированных лазерных кристаллов / Е.В. Строганова, В.В. Галуцкий, Д.С. Ткачев, Н.Н. Налбантов, Н.А. Яковенко // Оптика и спектроскопия. - 2014. - Т. 117. - №6. - С. 1012-1017].

Расчет распределения теплового поля внутри активного элемента из YAG:Yb в виде диска с постоянной концентрацией ионов Yb³⁺ был представлен в работе [Fan Т.Y. Optimizing the efficiency and stored energy in quasi-three-level lasers / T.Y. Fan // IEEE journal of quantum electronics. - December 1992. - Vol. 28. - №12. - p. 2692-2697], где качественная картина распределения теплового поля представляет собой несимметричную параболу, с максимумом на некотором расстоянии от края диска (тепловая линза).

Для расчета распределения теплового поля по координатам кристалла была рассмотрена система дифференциальных уравнений (4), дополненная уравнением теплопроводности (5) с граничными условиями 3-го рода для одномерного случая.

где:

T(z) - температура кристалла в соответствующей координате;

q(z) - суммарная объемная плотность мощности источников тепловыделения внутри кристалла, из системы уравнений (1), она равна dI/dz - производной интенсивности накачки, рассеянной при безызлучательном переходе;

λ - коэффициент теплопроводности для YAG равен 0,14 Вт·см^-1·K^-1;

α - коэффициент теплообмена между активным элементом и окружающей средой (зависит от геометрии теплообмена и охлаждающей среды), для материала активного элемента, изготовленного из YAG, полагали его равным 0,5, 0,6 и 0,7 Вт/(см²·K), Т(0) и T(h) - температуры боковых поверхностей активного элемента при z=0 и z=h (0<z<1,2 [см]), T_f - температура окружающей среды равна 300 K.

Для численного решения системы из уравнений (4), (5) применялся метод конечных разностей с шагом 4·10^-3 см. Так как характерные времена распространения t теплового поля малы по сравнению с длительностью импульса τ, то уравнение теплопроводности является квазистационарным. Нами были выбраны экспоненциальный, нарастающий, параболический концентрационные профили, представленные на фиг. 1, при значении постоянной концентрации равной 3,5 10²⁰ см^-3.

При импульсной накачке с частотой следования импульсов f=10 Гц, согласно расчетам энергия импульса накачки Е_и=0,3 Дж и длительностью импульса 300 мкс (3-уровневая схема).

Как видно из фиг. 2а), распределение теплового поля для кристалла с постоянным концентрационным профилем представляет собой несимметричную параболу, с максимумом на некотором расстоянии от торцов кристалла. Для каждого концентрационного профиля и постоянной концентрации представлены три кривые, которые отличаются коэффициентами теплообмена с торцов дискового АЭ α равными 0,5, 0,6 и 0,7 Вт/(см²·K) соответственно. При экспоненциальном концентрационном профиле (фиг. 1, кривая 1) качественная картина распределения остается практически неизменной, фиг. 2б).

Нарастающий концентрационный профиль (фиг. 1, кривая 3), в котором, при распространении накачки, сглаживается эффект «тепловой линзы», имеет худшую по сравнению с постоянным концентрационным профилем картину распределения теплового поля по длине кристалла. Такая картина наблюдается вследствие того, что основная часть излучения будет поглощаться в центре кристалла, где теплоотвод затруднен, фиг. 2в).

При параболическом концентрационном профиле (фиг. 1, кривая 2) наблюдается сильное сглаживание температурного градиента, фиг. 2г). Около 80% длины АЭ находится в среднем при одинаковой температуре, размах температурной нелинейности ΔT не превосходит 8K, при условии, что температура окружающей среды составляет 300K.

Как видно из таблицы 1, материалы с однородным легированием ионов Yb³⁺ по длине активного элемента (пример №1 таблицы 1, фиг. 2а)) демонстрируют неравномерное распределение теплового поля внутри активного элемента, с максимальным градиентом температуры ΔТ порядка 80K. Распределение имеет вид параболы с максимальным значением температуры поля (Т~380K), смещенным к центру активного элемента. Такое смещение к центральной части максимума теплового распределения затрудняет теплоотвод и способствует развитию эффекта «тепловой линзы». Подобные процессы происходят и для материалов с распределением концентрации ионов Yb³⁺ по экспоненциальному закону (пример №2 таблицы 1, фиг. 2б)) и по нарастающему закону (пример №3 табл. 1, фиг. 2в)). В образцах, представленных в примерах 2 и 3 таблицы, при нарастающем профиле максимальная температура достигает значений порядка 400K с градиентом ΔТ=100K, а при экспоненциальном - 320K, с градиентом ΔТ=20К.

Оптимальные параметры распределения теплового поля в монокристаллическом материале в примере №4 таблицы 1, что видно из фиг. 2г). При параболическом концентрационном профиле оптических центров тепловое поле распределяется практически на весь активный элемент, демонстрируя сглаженный вид. Градиент температур в таком активном элементе составляет ΔТ=9K, при этом невыраженные максимумы распределения располагаются близко к торцам активного элемента, что значительно упрощает процесс теплоотвода. Из-за сглаженного распределения температурного поля эффект «тепловой линзы» в активном элементе не развивается.

Таким образом? предложен новый монокристаллический материал для активного элемента дискового лазера, позволяющий без усложнения конструкции АЭ отводить тепло и компенсировать эффект тепловых линз за счет материала АЭ, что повышает эффективность лазера.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается монокристаллического материала для дисковых лазеров. Монокристаллический материал выполнен на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия. При этом исходные компоненты взяты в соответствии со структурной формулой Yb_a(z):Y_3-a(z)Al₅O₁₂,

где

- функция изменения концентрационного профиля,

z - ось направления формирования концентрационного профиля кристалла, 0<z<1,2. Технический результат заключается в обеспечении сглаженного распределения теплового поля, отсутствии тепловой линзы внутри активного элемента и увеличении предельного размера генерируемого объема в активном элементе. 3 ил., 1 табл.

Монокристаллический материал для дискового лазера на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия, отличающийся тем, что исходные компоненты взяты в соответствии со структурной формулой:
Yb_a(z):Y_3-a(z)Al₅O₁₂,
где

a(z) - функция изменения концентрационного профиля,
z - ось направления формирования концентрационного профиля кристалла,
0<z<1,2.