РЕГУЛИРОВКА ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО ИОНА В СТЕКЛЕ НА ОСНОВЕ ФОСФАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДА ЦЕРИЯ Российский патент 2017 года по МПК C03C3/62 C03C4/00 H01S3/17 

Изобретение относится к стеклам для использования в твердотельных лазерах, в частности короткоимпульсных лазерах, с высокой выходной пиковой мощностью. В частности, настоящее изобретение относится к лазерной системе на смешанном стекле, в которой фосфатное лазерное стекло используется в комбинации с алюминатным или силикатным лазерным стеклом. Кроме того, изобретение относится к фосфатному стеклу, допированному Nd, пригодному для использования в лазерной системе на смешанном стекле, в которой фосфатное стекло, допированное Nd, имеет пик излучения при более короткой длине волны, то есть длине волны менее 1054 нм. Кроме того, изобретение относится к способу сдвига длины волны пика излучения Nd-фосфатного стекла в более коротковолновую область без ухудшения (т.е. сужения) ширины полосы излучения.

Одной из общих тенденцией в твердотельных лазерах является создание высокоэнергетических лазеров с более короткой длительностью импульса, что приводит к очень высоким значениям энергии в импульсе. Например, энергия импульса лазера мощностью 10 кДжоулей с длительностью импульса 10 не составляет 1 ТВт (1 ТВт = 10000 Дж/10 нс). Тенденция к использованию высокоэнергетических лазеров с более короткой длительность импульсов описана в "Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers (От тераваттных к петаваттным субпикосекундным лазерам", M.D. Perry and G. Mourou, Science, Vol 264, 917-924 (1994)).

В применении мощных и короткоимпульсных лазеров, таких как существующие петаваттные лазерные системы, и ультра-короткоимпульсных лазеров (лазеры, дающие световые импульсы с длительностью, например, одна пикосекунда или менее), а также будущие эксаваттные лазеры, желательно, чтобы у твердотельного лазера была большая ширина полосы излучения. См., например, лазер Hercules, описанный в Laser Focus World, April 2008, pp.19-20, в котором используются кристаллы сапфира, допированного Ti. Важным фактором в разработке лазерных систем, которые используют короткие импульсы, является нахождение материалов лазерного усиления с широкой полосой излучения лазерного перехода.

Для лазеров с синхронизацией мод хорошо известно из теоремы Фурье, что чем меньше длительность импульса, тем большая ширина полосы усиления требуется для генерации такого импульса; что ограничивает превращение. Для неоднородно уширенной линии лазерной среды, если интенсивность импульсов описывается гауссовой функцией, то получаемый импульс с синхронизацией мод будет иметь гауссову форму с отношением ширины полосы излучения/длительность импульса: ширина полосы Х длительность импульса ≥0,44. См. W. Koechner, Solid State Laser Engineering, 6ed, Springer Science, 2005 (pg 540). Очевидно, что для достижения еще более короткой длительности импульса требуется найти стекло с широкой полосой излучения.

Титан-сапфировые [Ti:сапфир, Ti:Al₂O₃] кристаллы имеют широкую полосу излучения, а также высокое поперечное сечение лазерного излучения в широкой области излучения. Эти свойства в сочетании с отличными термическими, физическими и оптическими свойствами кристаллов сапфира делают этот материал среды оптимальным для активных твердотельных ультра-короткоимпульсных лазеров. Однако короткое время жизни флюоресценции требует необходимости накачки Ti:сапфир другими лазерами (например, Ti:сапфировые короткоимпульсные лазеры часто накачивают лазерами на стекле, которые в свою очередь накачивают импульсными лампами). Это увеличивает общую структуру и сложность лазеров, особенно при попытке перейти к эксаваттным пиковым мощностям. Более того, будучи кристаллическим материалом, создание широкой апертуры материала Ti:сапфир с необходимыми оптическими качествами является сложной и дорогой задачей.

Другое выполнение короткоимпульсных лазеров использует стекла, допированные редкими землями. Преимущества таких стекол по сравнению с кристаллами включают более низкую стоимость и более высокие достижимые мощности (так как стекло может быть изготовлено с большими размерами высокого оптического качества, в то время как размер сапфира, допированного Ti, имеет ограничения). Кроме того, могут быть реализованы более простые конструкции, так как стеклянные усиливающие материалы могут быть накачаны непосредственно импульсными лампами. В отличие от лазеров, использующих Ti:сапфировые кристаллы, подход с использованием стекла не требует предварительного создания лазеров накачки.

Лазерные стекла производятся допированием исходного стекла редкоземельными элементами, которые способны генерировать когерентное оптическое излучение, такими как неодим и иттербий. Способность генерировать когерентное оптическое излучение этих лазерных стекол, допированных редкими землями, является результатом усиления света достигаемого вынужденным излучением возбужденных ионов редкоземельных элементов в стекле.

Стекла успешно используются в качестве исходной матрицы, подходящей для редкоземельных ионов, которые обеспечивают широкую апертуру, необходимую для лазеров с высокой средней выходной мощностью. Это особенно верно для фосфатных стекол, которые могут быть изготовлены в больших количествах и могут быть выполнены свободными от частиц платины при изготовлении в соответствующих технологических условиях.

В дополнение к фосфатным стеклам также были использованы теллурит, силикаты, бораты, боросиликаты и алюминаты в качестве исходной стеклянной матрицы для генерирующих ионов. Силикатные, боратные, боросиликатные и алюминатные стекла имеют более широкую полосу излучения генерирующих ионов Nd по сравнению с фосфатными стеклами.

Однако имеются и недостатки, связанные с использованием этих стекол. Например, силикатные стекла обычно плавятся при очень высоких температурах, если только они не содержат значительного количества модификаторов, таких как щелочные металлы или щелочноземельные металлы. С другой стороны боратные стекла имеют низкие температуры плавления, но требуют высоких концентраций щелочных металлов или щелочноземельных металлов, чтобы быть стабильными при температуре окружающей среды. Боросиликатные стекла могут быть стабильными при температуре окружающей среды, а также плавятся при температурах, сравнимых со стандартными коммерческими стеклами, такими как натриево-кальциевые стекла. Однако обычные коммерческие боросиликатные стекла содержат значительные количества щелочных металлов, которые способствуют высокой летучести бората, подобно фосфатному стеклу, во время плавления. Алюминатные стекла обладают особенно широкими полосами излучения и являются привлекательными для работы короткоимпульсного лазера. Но эти стекла имеют очень высокую склонность к кристаллизации с учетом исключительно трудного перехода к крупномасштабному производству.

К сожалению, ширина полос излучения, достигаемая в исходном стекле, как правило, во много раз меньше, чем та, которая возможна в Ti:сапфировых кристаллах. Для лазеров с высокой выходной пиковой мощностью с использованием ультра-коротких импульсов (<100 фемтосекундные импульсы или менее), ширина полосы излучения, обеспечиваемая известными фосфатными лазерными стеклами, является слишком узкой по сравнению с необходимой. Для преодоления этого ограничения, так называемые "смешанные" лазерные стекла используются для достижения общей требуемой ширины полосы излучения петаваттного лазера, который действует и дает на сегодня самую высокую выходную пиковую мощность. Устройство этого петаваттного лазера представлено в Е. Gaul, M. Martinez, J. Blakeney, A. Jochmann, M. Ringuette, D. Hammond, Т. Borger, R. Escamilla, S. Douglas, W. Henderson, G. Dyer, A. Erlandson, R. Cross, J. Caird, C. Ebbers, and T. Ditmire, "Demonstration of a 1.1 petawatt laser based on a hybrid optical parametric chirped pulse amplification/mixed Nd:glass amplifier, (Демонстрация 1.1 петаваттного лазера на основе гибридного оптического параметрического модулируемого усиления импульса/ усилителя на смешанном Nd:стекле)" Appl. Opt. 49, 1676-1681 (2010). Устройство лазера представлено на фиг.1, тогда как фиг.2 представляет ширину полосы излучения, достигнутую за счет использования стекол со сдвигом длин волн пиков.

В этих устройствах со смешанным лазерным стеклом, фосфатные и силикатные стекла используются последовательно для достижения общей ширины полосы излучения, необходимой для существующих петаваттных лазеров. См., например, Filip, "Atomic phase shifts in mixed-glass, multipetawatt laser systems (Атомные фазовые сдвиги в смешанном стекле мультипетаваттных лазеров)". Optic Express, Vol.19, No. 21, pp.20953-20959, October 10, 2011, которая описывает пример 15-петаваттного лазера на основе смешанных стекол, допированных Nd. Этот лазер на смешанном стекле использует два усилителя, один на основе фосфатного стекла и другой на основе силикатного стекла.

Однако существующее лазерное смешанное стекло все еще недостаточно подходит для компактных петаваттных и для будущих эксаваттных систем, способных давать высокоэнергетические и короткие импульсы. Смешанные стеклянные усилители с достаточно большой апертурой, как ожидается, представляют собой один путь в создании в будущем очень высоких пиковых мощностей (100-1000 петаватт) и очень коротких импульсов (50-100 фс).

Таким образом, ожидается, что лазерные усилители на основе смешанного стекла будут одной технологией, используемой в будущем для короткоимпульсных, мультипетаваттных и эксаваттных лазеров большой пиковой мощности. В этих системах два стекла каждое, допированное генерирующими ионами Nd³⁺, будет использоваться последовательно. Однако два стекла должны будут давать значительно различающиеся длины волн пика излучения, чтобы быть технологически реализуемыми. Для одного из последовательно расположенных стекол понадобится насколько возможно короткий пик излучения для Nd³⁺, в то время как для другого будет нужен насколько возможно длинный пик излучения Nd³⁺. Все остальные свойства должны быть оптимизированы для лучших характеристик лазера. В общем, фосфатное стекло, допированное Nd, используется для более короткого пика излучения и силикатное или алюминатное стекло, допированное Nd, используется для более высокого пика излучения. Большинство коммерчески доступных фосфатных стекол с большой апертурой, свободных от платины, имеют длину волны пика около 1054 нм. Самая короткая длина волны пика, доступная на сегодня для коммерчески доступного фосфатного стекла с большой апертурой, свободного от платины, составляет 1052,7 нм, а самая большая длина волны пика коммерчески доступного стекла составляет 1059,7 нм.

Таким образом, для высокоэнергетических, короткоимпульсных лазерных систем существует потребность в лазерных стеклах, допированных Nd, с длиной волн излучения более 1059,7 и менее 1052,7 нм. Существуют известные стекла с большей и меньшей длиной волны этих пиков. Большинство из этих стекол слишком трудно изготавливать с высоким оптическим качеством и широкой апертурой. См. S.E Stokowski et al., Nd-doped Laser Glass Spectroscopic and Physical Properties (Спектроскопические и физические свойства лазерного стекла, допированного Nd), Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, 1981.

Известно использование оксида церия в лазерном стекле. Например, Myers (US 4,770,811) раскрывает композицию лазерного стекла на основе фосфата, включающего генерирующий допант, такой как Nd₂O₃, который дополнительно включает вспомогательный допант, содержащий в основном 0,1-5% масс. Ce₂O₃ и 0,025-0,1% Cr₂O₃. Оксид церия также может быть добавлен в качестве средства против соляризации. См., например, Meyers (US 5,164,343) и Myers и др. (US 7,531,473). Что касается использования церия в лазерном стекле, см. также Myers (US 4,962,067) и Hayden и др. (US 6,853,659).

Одной из целей настоящего изобретения является создание фосфатного лазерного стекла, допированного Nd (и/или допированного Yb, и/или Er), имеющего длину волны пика излучения менее 1054 нм, предпочтительно по меньшей мере 1052 нм или менее, в частности по меньшей мере 1051 нм или менее.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена лазерная система, использующая конфигурацию смешанного стекла и фазовую компенсацию, в которой одно из стекол системы смешанного стекла является фосфатным лазерным стеклом, допированным Nd (и/или Yb, и/или Er), имеющим длину волны пика излучения менее 1054 нм, предпочтительно по меньшей мере 1052 нм или менее, в частности по меньшей мере 1051 нм или менее.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена лазерная система с выходной мощностью системы по меньшей мере петаватт в импульсе или более, и в которой система использует схему смешанного стекла и фазовую компенсацию и одно из стекол системы смешанного стекла является фосфатным лазерным стеклом, допированным Nd (и/или Yb, и/или Er), имеющим длину волны пика излучения менее 1054 нм, предпочтительно по меньшей мере 1052 нм или менее, в частности по меньшей мере 1051 нм или менее.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ уменьшения длины волны пика излучения фосфатного лазерного стекла, допированного Nd (и/или Yb, и/или Er), по меньшей мере на 2 нм, предпочтительно по меньшей мере на 3 нм, в частности на 5 нм. Например, способ уменьшает длину волны пика излучения фосфатного лазерного стекла, допированного Nd, от средней длины волны около 1054 нм до длины волны пика излучения, которая меньше 1054 нм, предпочтительно по меньшей мере 1052 нм или менее, в частности по меньшей мере 1051 нм или менее и по меньшей мере 1049 нм или менее.

При дальнейшем ознакомлении с описанием и прилагаемой формулой изобретения дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники.

Эти аспекты достигаются включением оксида церия (CeO₂) в систему исходного фосфатного стекла, предпочтительно заменой оксида лантана для сдвига длины волны пика излучения до менее 1054 нм.

В соответствии с осуществлением настоящего изобретения предложена композиция фосфатного стекла, допированного Nd (или Yb, или Er), включающая (в % мол.):

P₂O₅ 40,00-70,00 B₂O₃ 0,00-20,00 SiO₂ 0,00-15,00 Al₂O₃ 2,00-15,00 Nd₂O₃ 0,00-5,00 Yb₂O₃ 0,00 - предел растворимости Er₂O₃ 0,00-5,00 CeO₂ (или эквивалентное количество Ce₂O₃) 0,25-30,00 La₂O₃ 0,00-29,75 MO 0,00-10,00 M'₂O 0,00-20,00

где

MO является суммой MgO, CaO, SrO, BaO и ZnO,

M'₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O,

сумма MO и составляет 0,00-30,00% мол.,

сумма P₂O₅, B₂O₃, SiO₂ и Al₂O₃ составляет по меньшей мере 46% мол.,

весь или часть CeO₂ может быть заменена эквивалентным количеством Ce₂O₃, в котором эквивалентное количество Ce₂O₃ означает количество, содержащее такое же количество молей Ce, что и в CeO₂,

сумма La₂O₃, CeO₂, Ce₂O₃, Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет не более 35,00% мол.

предел растворимости относится к концентрации, которая является пределом растворимости Yb₂O₃ в композиции стекла, и

стекло включает по меньшей мере 0,25% мол. Nd₂O₃, и/или по меньшей мере 0,50% мол. Yb₂O₃, и/или по меньшей мере 0,05% мол. Er₂O₃.

В соответствии с другим осуществлением изобретения предложена композиция фосфатного стекла, допированного Nd (или Yb, или Er, или содопированного Yb+Er, или Yb+Er+Nd, или Yb+Nd), включающая (в % мол.):

P₂O₅ 50,00-70,00 B₂O₃ 5,00-10,00 SiO₂ 1,00-10,00 Al₂O₃ 2,00-13,00 Nd₂O₃ 0,00-5,00 Yb₂O₃ 0,00-5,00 Er₂O₃ 0,00-5,00 CeO₂ (или эквивалентное количество Ce₂O₃) 0,5-25,00 La₂O₃ 0,00-22,00

где сумма MO и M'₂O составляет 0,00-20,00% мол.,

сумма P₂O₅, B₂O₃, SiO₂ и Al₂O₃ по меньшей мере 58% мол. (например, 65% мол.),

весь или часть CeO₂ может быть заменена эквивалентным количеством Ce₂O₃, в котором эквивалентное количество Ce₂O₃ означает количество, содержащее такое же количество молей Ce, что и CeO₂,

сумма La₂O₃, CeO₂, Ce₂O₃, Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет не более 35,00% мол., и

сумма Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет 0,25-5,00% мол., и стекло включает по меньшей мере 0,25% мол. Nd₂O₃, и/или по меньшей мере 0,50% мол. Yb₂O₃, и/или по меньшей мере 0,05% мол. Er₂O₃.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ уменьшения длины волны пика излучения фосфатного лазерного стекла, допированного Nd (или Yb, или Er), которая содержит лантан, включающий замену до 100% La₂O₃ на CeO₂.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения композиция стекла включает менее 0,01 Cr₂O₃.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения композиция стекла содержит SiO₂, например, 1,00-15,00% мол. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения композиция стекла содержит B₂O₃, т.е. >0,00-20,00% мол., например 0,5-20,00% мол. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения композиция стекла содержит и SiO₂ и B₂O₃.

Что касается диапазонов, указанных в описании, все диапазоны включают по меньшей мере две конечные точки диапазонов, а также все значения между двумя конечными точками. Так, например, диапазон 1-10 должен рассматриваться как однозначно включающий по меньшей мере значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

В композиции стекла изобретения P₂O₅ действует в качестве каркаса первичной сетчатой структуры. Таким образом, согласно другому аспекту настоящего изобретения композиция фосфатного стекла, допированного Nd (и/или Yb, и/или Er), включает 45,00-70,00% мол. P₂O₅, например 55,00-70,00% мол. P₂O₅, или 60,00-70,00% мол. P₂O₅, или 62,00-66,00% мол. P₂O₅, например 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 или 70% мол.

В композиции стекла изобретения B₂O₃ также формирует сетчатую структуру. Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd (и/или Yb, и/или Er), включает 0,00-20,00% мол. B₂O₃, например 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 или 20% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 5,00-20,00% мол. B₂O₃, или 5,00-15,00% мол. B₂O₃, или 5,00-10,00% мол. B₂O₃, или 8,00-10,00% мол. B₂O₃.

SiO₂ также может формировать сетчатую структуру в композиции стекла настоящего изобретения. Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd (и/или Yb, и/или Er), включает 0,00-15,00% мол. SiO₂, например 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 или 15% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 1,00-10,00% мол. SiO₂, или 3,00-10,00% мол. SiO₂, или 3,00-6,00% мол. SiO₂.

Al₂O₃ также может формировать сетчатую структуру в композиции стекла настоящего изобретения. Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd (и/или Yb, и/или Er), включает 2,00-15,0% мол. Al₂O₃, например 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 2,00-14,00% мол. Al₂O₃, или 2,00-10,00% мол. Al₂O₃, или 2,00-8,00% мол. Al₂O₃, или 4,00-8,00% мол. Al₂O₃.

Ионы Nd, Yb и/или Er действуют как генерирующие ионы в стекле изобретения. Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd, изобретения включает 0,25-5,00% мол. Nd₂O₃, например 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,75, 0,8, 0,9, 1, 1,25, 1,5, 1,75, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5 или 5% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 0,25-4,00% мол. Nd₂O₃, или 0,25-3,00% мол. Nd₂O₃, или 0,25-2,00% мол. Nd₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Yb, изобретения включает 0,50-30,00% мол. Yb₂O₃, например 0,5, 0,6, 0,7, 0,75, 0,8, 0,9, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 10,0, 12,0, 15,0, 18,0, 20,0, 23,0, 25,0, 28,0 или 30,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 0,50-25,00% мол. Yb₂O₃, или 0,50-15,00% мол. Yb₂O₃, или 0,50-10,00% мол. Yb₂O₃, или 0,50-5,00% мол. Yb₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Er, изобретения включает 0,05-10,00% мол. Er₂O₃, например 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,75, 0,8, 0,9, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5 или 5,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 0,05-4,00% мол. Er₂O₃, или 0,05-3,00% мол. Er₂O₃, или 0,05-2,00% мол. Er₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция допированного фосфатного стекла изобретения включает общее количество двух или более допантов Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ 0,50-5,00% мол., например 0,5, 0,6, 0,75, 0,8, 0,9, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5 или 5,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 1,00-4,00% мол., или 1,00-3,00% мол., или 1,00-2,00% мол.

Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd, изобретения включает 0,25-30,00% мол. CeO₂, например 0,5, 0,75, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0, 12,0, 15,0, 16,0, 17,0, 18,0, 19,0, 21,0, 23,0, 25,0, 28,0 или 30,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 4,50-25,00% мол. CeO₂, или 10,00-25,00% мол. CeO₂, или 15,00-25,00% мол. CeO₂, или 20,00-25,00% мол. CeO₂.

Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd, изобретения включает 15,00% мол Ce₂O₃, например 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5 или 5,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 5,00-12,50% мол. Ce₂O₃, или 7,50-12,50% мол. Ce₂O₃, или 10,00-12,50% мол Ce₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция фосфатного стекла, допированного Nd, изобретения включает 0,00-29,75% мол. La₂O₃, например 0,5, 0,75, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0, 12,0, 15,0, 16,0, 17,0, 18,0, 19,0, 21,0, 23,0, 25,0, 28,0 или 29,0% мол. Например, композиция фосфатного стекла изобретения может включать 0,00-15,0% мол. La₂O₃, 0,00-10,0% мол. La₂O₃, 0,00-8,0% мол. La₂O₃, 0,00-5,0% мол. La₂O₃, 0,00-3,0% мол. La₂O₃, 0,00-2,50% мол. La₂O₃, или 0,00-2,00% мол. La₂O₃, или 0,00-1,00% мол. La₂O₃.

Как указано выше, композиция стекла изобретения может включать щелочные металлы, M'₂O (сумма Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O) в количестве 0,00-20,00% мол., например 0,0, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0, 11,0, 12,0, 13,0, 14,0, 15,0, 16,0, 17,0, 18,0, 19,0 или 20,0% мол. Например, композиция стекла изобретения может включать 0,0-10,0% мол., 0,0 - 8,0% мол., 0,0-5,0% мол. или 0,0-3,0% мол. щелочных металлов, M'₂O. Щелочные металлы могут быть добавлены к композиции стекла для дополнительной модификации лазерных и механических свойств системы стекла. См., например, J.S. Hayden et al., "Effect of composition on the thermal, mechanical and optical properties of phosphate laser glasses (Влияние состава на термические, механические и оптические свойства фосфатных лазерных стекол)," SPIE Vol.1277 (1990), 127-139.

Также, как указано выше, композиция стекла изобретения может включать щелочноземельные металлы, MO (сумма MgO, CaO, SrO, BaO и ZnO) в количествах 0,00-10,00% мол., например 0,0, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0 или 10,0% мол. Например, композиция стекла изобретения может включать 0,0-9,0% мол., 0,0-7,0% мол., 0,0-5,0% мол., или 0,0-4,0% мол., или 0,0-3,0% мол. щелочноземельных металлов MO. Щелочноземельные металлы могут быть добавлены к композиции стекла для дополнительной модификации лазерных и механических свойств системы стекла. См., например, J.S. Hayden et al., "Effect of composition on the thermal, mechanical and optical properties of phosphate laser glasses (Влияние состава на термические, механические и оптические свойства фосфатных лазерных стекол)," SPIE Vol.1277 (1990), 127-139.

Композиция стекла изобретения может включать щелочные металлы и щелочноземельные металлы, т.е. сумма MO и M'₂O составляет 0,00-30,00% мол., например 0,0-25,0% мол., 0,0-22,0% мол., 0,0-20,0% мол., или 0,0-15,0% мол., или 0,0-10,0% мол.

Что касается дополнительных компонентов, стекло может включать не более 4 массовых процентов, в частности максимум 2 массовых процента обычных добавок или примесей, таких как осветлители (например, As₂O₃ и Sb₂O₃) и средства против соляризации (например, Nb₂O₅). Кроме того, композиция стекла может включать галогениды для улучшения обезвоживания расплава или остаточной воды и улучшения осветления стекла. Например, композиция стекла может включать до 9% масс. F, предпочтительно не более 5% масс. и до 5% масс. Cl, хотя Cl менее предпочтителен, чем F.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения композиция допированного фосфатного стекла изобретения обладает эффективной шириной полосы излучения (Δλ_eff) по меньшей мере 20 нм, предпочтительно по меньшей мере 25 нм, в частности по меньшей мере 29 нм и, в частности по меньшей мере 32 нм, например 25-35 нм или 29-33 нм.

Лазерные свойства могут быть оценены в соответствии с теорией Джадда-Офельта, теорией Фухтбауэра-Ладенбурга или методом МакКамбера. Обсуждение теории Джадда-фельта и теории Фухтбауэра-Ладенбурга можно найти в Е. Desurvire, Erbium Doped Fiber Amplifiers, John Wiley and Sons (1994). Метод МакКамбера обсуждается, например, в Miniscaico and Quimby, Optics Letters 16 (4) pp 258-266 (1991). См. также Kassab Journal of Non-Crystalline Solids 348 (2004) 103-107. Теория Джадда-Офельта и теория Фухтбауэра-Ладенбурга оценивают лазерные свойства из кривой излучения, в то время как метод МакКамбера использует кривую поглощения стекла.

Что касается ширины полосы излучения, то при наличии экспериментальной кривой излучения (например, полученной анализом Джадда-Офельта или Фухтбауэра-Ладенбурга) или расчетной кривой излучения (анализом МакКамбера) можно получить ширину полосы излучения двумя путями. Первый способ - это просто измерить ширину на половине максимального значения (так называемая ширина полосы излучения полной ширины по уровню 0,5 или Δλ_FWHM).

Второй метод делит каждую точку на кривой излучения на общую площадь под кривой. В результате, так называемая функция ширины спектральной линии будет иметь высоту пика, которая определяется как обратная величина эффективной ширины полосы излучения, Δ_λeff. С помощью этого метода общая кривая излучения всегда вносит вклад в получаемую величину ширины полосы излучения. Это значение в описании используется в анализе как лучший показатель ширины полосы излучения.

Настоящее изобретение и дополнительные детали, такие как признаки и сопутствующие преимущества изобретения, описаны более подробно ниже на основе примеров осуществлений, которые схематично изображены на чертежах, на которых:

фиг.1 графически иллюстрирует наблюдаемое изменение Nd-излучения в системе фосфатного стекла, допированного Nd, включающей Ce.

Примеры

В таблице 1 представлены стекло на основе фосфат, допированное Nd, содержащее La₂O₃ (LaNd) и фосфатное стекло, допированное Nd, изобретения, которое содержит CeO₂. Таблица 2 представляет лазерные свойства двух композиций.

Все стекла готовят с использованием ингредиентов лазерной квалификации и плавят в среде сухого кислорода при перемешивании с использованием платиновой мешалки для улучшения однородности. Все стекла отливают в форму и соответствующим образом отжигают для снятия напряжения, когда жидкость охлаждается до аморфного состояния. Получаемому блоку стекла придают форму, необходимую для использования в инструментах, которые предусматривают различные свойства стекол.

Как видно из данных таблиц, замена La₂O₃ в примере А на CeO₂ в примере 1 приводит к снижению длины волны пика излучения более чем на 2 нм в фосфатном стекле. Сравнение примера В с примерами 2 и 3 показывает, что замена La₂O₃ на CeO₂ приводит к снижению длины волны пика излучения более чем на 1,5 нм в фосфатном стекле. Кроме того, сравнение примера А с примером 1 показывает, что добавление CeO₂ улучшает поперечное сечение пика излучения. В примерах 2 и 3 добавление CeO₂ улучшает время жизни флюоресценции.

Полное раскрытие всех заявок, патентов и публикаций, цитируемых в описании, включено в качестве ссылки.

Приведенные выше примеры можно повторить с тем же успехом путем замены в целом или частично описанных реагентов и/или рабочих условий настоящего изобретения, которые используются в предыдущих примерах.

Из вышеприведенного описания специалист в данной области техники может легко определить существенные признаки настоящего изобретения и, не отступая от сущности и объема притязаний, может выполнить различные изменения и модификации изобретения для его приведения в соответствие к различным применениям и условиям.

Изобретение относится к стеклам для твердотельных лазеров. А именно, изобретение раскрывает фосфатное лазерное стекло, допированное Nd, или Yb, или Er и имеющее указанный химический состав, способ снижения длины волны пика излучения указанного выше фосфатного лазерного стекла, включающего лантан и допированного Nd, или Yb, или Er, в котором до 100% La₂O₃ заменяют на CeO₂, чтобы изменить длину волны пика излучения, а также изобретение раскрывает лазерную систему с использованием смешанного стекла, в которой одно стекло из системы смешанного стекла является указанным фосфатным лазерным стеклом, и способ генерации импульса лазерного луча с использованием такой лазерной системы. Технический результат – обеспечение длины волны излучения менее 1054 нм. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Композиция фосфатного стекла, допированного Nd, или Yb, или Er, включающая, % мол.:

P₂O₅ 40,00-70,00 B₂O₃ 0,00-20,00 SiO₂ 0,00-15,00 Al₂O₃ 2,00-15,00 Nd₂O₃ 0,00-5,00 Yb₂O₃ 0,00 - предел растворимости Er₂O₃ 0,00-5,00 CeO₂ (или эквивалентное количество Ce₂O₃) 0,25-30,00 La₂O₃ 0,00-29,75 МО 0,00-10,00 M'₂O 0,00-15,00

где

MO является суммой MgO, CaO, SrO, BaO и ZnO,

M'₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O,

сумма MO и M'₂O составляет 0,00-15,00% мол.,

сумма P₂O₅, B₂O₃, SiO₂ и Al₂O₃ составляет по меньшей мере 46% мол.,

весь или часть CeO₂ может быть заменен эквивалентным количеством Ce₂O₃, в котором эквивалентное количество Ce₂O₃ означает количество, содержащее такое же количество молей Ce, что и в CeO₂,

сумма La₂O₃, CeO₂, Ce₂O₃, Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет не более 35,00% мол.

предел растворимости относится к концентрации, которая является пределом

растворимости Yb₂O₃ в композиции стекла, и

стекло включает SiO₂, и/или B₂O₃ и по меньшей мере 0,25% мол. Nd₂O₃, и/или по меньшей мере 0,50% мол. Yb₂O₃, и/или по меньшей мере 0,05% мол. Er₂O₃.

2. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит менее 0,01% мол. Cr₂O₃.

3. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 1,00-15,00% мол. SiO₂.

4. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит от более 0,00 до 20,00% мол. B₂O₃.

5. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 0,5-20,00% мол. B₂O₃.

6. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит SiO₂ и B₂O₃.

7. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 55,00-70,00% мол. P₂O₅.

8. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 5,00-15,00% мол. B₂O₃.

9. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 1,00-10,00% мол. SiO₂.

10. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 1,00-4,00% мол. Nd₂O₃.

11. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 0,50-30,00% мол. Yb₂O₃.

12. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 0,50-4,00% мол. Er₂O₃.

13. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит два или более из Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ в суммарном количестве 0,50-5,00% мол.

14. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 10,00-25,00% мол. CeO₂.

15. Композиция фосфатного стекла по п. 14, которая содержит 15,00-25,00% мол. CeO₂.

16. Композиция фосфатного стекла по п. 14, которая содержит 20,00-25,00% мол. CeO₂.

17. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 5,00-12,50% мол. Ce₂O₃.

18. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит до 12,50% мол. Ce₂O₃.

19. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 0,00-15,0% мол. La₂O₃.

20. Композиция фосфатного стекла по п. 1, в которой эффективная ширина полосы излучения указанного стекла (Δλ_eff) составляет по меньшей мере 20 нм.

21. Композиция фосфатного стекла по п. 1, в которой композиция указанного стекла содержит, % мол.:

P₂O₅ 50,00-70,00 B₂O₃ 5,00-10,00 SiO₂ 1,00-10,00 Al₂O₃ 2,00-13,00 Nd₂O₃ 0,00-5,00 Yb₂O₃ 0,00-5,00 Er₂O₃ 0,00-5,00 CeO₂ (или эквивалентное количество Ce₂O₃) 0,5-25,00 La₂O₃ 0,00-22,00

где

сумма MO и M'₂O составляет 0,00-15,00% мол.,

сумма P₂O₅, В₂О₃, SiO₂ и Al₂O₃, составляет по меньшей мере 65% мол.,

весь или часть CeO₂ может быть заменен эквивалентным количеством Ce₂O₃, в котором эквивалентное количество Ce₂O₃ означает количество, содержащее такое же количество молей Ce, что и CeO₂,

сумма La₂O₃, CeO₂, Ce₂O₃, Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет не более 35,00% мол.,

стекло включает SiO₂ и/или B₂O₃ и

сумма Nd₂O₃, Yb₂O₃ и Er₂O₃ составляет 0,25-5,00% мол., причем стекло включает по меньшей мере 0,25% мол. Nd₂O₃, и/или по меньшей мере 0,50% мол. Yb₂O₃, и/или по меньшей мере 0,05% мол. Er₂O₃.

22. Способ снижения длины волны пика излучения фосфатного лазерного стекла, включающего лантан и допированного Nd, или Yb, или Er, по любому из пп. 1-21, в котором до 100% La₂O₃ заменяют на CeO₂.

23. Твердотельная лазерная система на основе смеси стекол, включающая фосфатное стекло по любому из пп. 1-21 и другое стекло, допированное Nd, в качестве усиливающей твердотельной среды и источника накачки.

24. Лазерная система по п. 23, в которой выходная мощность системы составляет по меньшей мере петаватт в импульсе или больше.

25. Способ генерации импульса лазерного излучения, включающий накачку импульсной лампой или диодную накачку твердотельной усиливающей среды лазерной системы по п. 23.

26. Композиция фосфатного стекла по п. 1, которая содержит 0,00-5,0% мол. MO.