УШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ ИЗЛУЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО ИОНА, ПОВЫШЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ И/ИЛИ СДВИГ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В АЛЮМИНАТНЫХ ИЛИ СИЛИКАТНЫХ СТЕКЛАХ, ДОПИРОВАННЫХ Nd Российский патент 2018 года по МПК C03C3/62 C03C3/89 C03C3/91 C03C3/93 C03C3/95 

Изобретение относится к стеклам для использования в твердотельных лазерах, в частности, короткоимпульсных лазерах, с высокой выходной пиковой мощностью лазерах. В частности, изобретение относится к стеклам для лазерной системы на смешанном стекле, в которой алюминатное или силикатное стекло используется в комбинации с лазерным фосфатным стеклом.

Кроме того, изобретение относится к алюминатному или силикатному стеклу, допированному Nd, пригодному для использования в лазерной системе на смешанном стекле, в которой (а) алюминатное или силикатное стекло, допированное Nd, имеет длину волны пика излучения более 1060 нм (в частности, более 1067 нм для алюминатного стекла, допированного Nd), (b) алюминатное или силикатное стекло, допированное Nd, имеет уширенное поперечное сечение пучка излучения и/или (с) алюминатное или силикатное стекло, допированное Nd, имеет уширенную полосу излучения, сохраняя при этом свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования Tg, высокое поперечное сечение излучения, и низкий нелинейный показатель преломления n₂. Кроме того, изобретение относится к способу сдвига длины волны пика излучения полосы излучения в сторону больших длин волн, например, длины волн более 1060 нм для силикатного стекла, допированного Nd, или более 1067 нм для алюминатного стекла, допированного Nd, и/или увеличения поперечного сечения излучения, и/или уширения полосы излучения для алюминатного или силикатного стекла, допированного Nd, при этом по-прежнему сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования.

Одной из общих тенденций в твердотельных лазерах является создание высокоэнергетических лазеров с более короткой длительностью импульса, что приводит к очень высокими значениям энергии в импульсе. Например, энергия импульса лазера мощностью 10 кДж с длительностью импульса 10 нс составляет 1 ТВт (1 ТВт = 10000 Дж/10 нс). Тенденция к использованию высокоэнергетических лазеров с более короткой длительность импульсов описана в "Terrawatt to pettawatt subpicoceKond lasers (От тераватных к петаватным 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 ультракороткоимпульсные лазеры (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 используется 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 более узкая 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 ширина полосы излучения/длительность импульса: ширина полосы X 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.

Поглощение и излучение фотонов активного иона в усиливающем материале пропорционально поперечному сечению поглощения и излучения, где поперечное сечение представляет усиление на единицу длины на обратную величину плотности населенности. Во время работы лазера, высокое поперечное сечение означает, что меньше фотонов необходимо для насыщения любого заданного перехода при накачке и вынужденном излучении. Таким образом, высокое поперечное сечение имеет преимущество, заключающееся в том, что оно повышает вероятность поглощения и излучения в усиливающих материалах, что ведет к более высокой эффективности с большим допуском оптических потерь.

Титан - сапфировые [Ti:сапфир, Ti:Al₂O₃] кристаллы имеют широкую полосу излучения, а также высокое поперечное сечение 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. В соответствии с уравнением Фухтбауэра-Ладенбурга, величина поперечное сечения излучения, ширины полосы излучения и излучательные времена жизни должен быть приблизительно постоянным для данного излучающего иона. Таким образом, высокое поперечное сечение и большая ширина полосы излучения требуют короткого времени жизни. Короткое время жизни флюоресценции Ti:сапфир требует накачки другими лазерами (например, Ti:сапфировые короткоимпульсные лазеры часто накачивают лазерами на стекле, допированном Nd, которые в свою очередь накачивают импульсными лампами). Это увеличивает общую структуру и сложность лазеров, особенно при попытке перейти к эксаваттным или высокопетаваттным 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 справедливо 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 они не содержат значительное количество 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. 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 ультракоротких 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, М. Martinez, J. Blakeney, A. Jochmann, М. 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.

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 короткие 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, предпочтительно ионам 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 того же генерирующего иона. 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. С другой стороны самая высокая коммерчески доступная длина волны пика в стекле составляет 1059,7 нм и это силикатное стекло, допированное Nd. Насколько известно заявителям, сегодня отсутствуют коммерчески доступные алюминатные лазерные стекла, допированные Nd.

Таким образом, для высокоэнергетических, короткоимпульсных лазерных систем существует потребность в лазерных стеклах, допированных редкими землями (предпочтительно допированных Nd), с длиной волн излучения более 1059,7 и менее 1052,7 нм.

В литературе описаны стекла с меньшей и с большей вышеуказанной длиной волны пика. Большинство из них являются силикатными стекла с большими добавками Ti или Ta. Оба этих элемента приводит к нежелательно большому нелинейному показателю преломления, но они необходимы для получения требуемой длины волны пика и/или ширины полосы. L-65, являющееся единственным известным алюминатным стеклом для лазерных применений, включает 52% СаО, 32% Al₂O₃, 5% ВаО и 10,5% SiO₂ с 0,5% добавки Nd₂O₃. Его пик составляет 1067 нм. Однако это стекло не достаточно стабильно и имеет температуру плавления, которая является слишком высокой для достижения высокой однородности, отсутствия Pt, крупномасштабного производства.

Многие лазерные стекла описаны в справочнике 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. Из описанных в нем стекол, стекло с самой большой длиной волны пика является стеклом, называемым 9016, которое представляет стекло из плавленого кварца (SiO₂, выращенный методом газофазного химического осаждения), допированное 0,48% масс. Nd₂O₃). Это стекло имеет длину волны пика при 1088 нм. Однако лазерные свойства стекла 9016 плохие, например, оно имеет малое поперечное сечение излучения около 1,4×10^-20 см².

С точки зрения свойств расплава для крупномасштабного производства стекла, необходимо, чтобы стекло имело температуру стеклования Tg менее 850°C. Что касается лазерных свойств, для того, чтобы стекло было коммерчески приемлемым, поперечное сечение излучения стекла предпочтительно должно составлять ≥1.5×10^-20 см² и предпочтительно с нелинейным показателем преломления n₂<4,0.

Кроме того, для высокоэнергетических, короткоимпульсных лазерных систем существует потребность в лазерных стеклах с большой апертурой, технологичных допированных редкими землями (предпочтительно допированных Nd), с широкой полосой излучения и/или большим поперечным сечением излучения, при этом достигая длины волны излучения по меньшей мере 1059,7 нм, предпочтительно более 1059,7.

Целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината или силиката с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, например, 1062 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 1065 нм или более, в частности по меньшей мере 1068 нм или более, предпочтительно сохраняя при этом свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g, высокое поперечное сечение и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, например, 1062 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 1065 нм или более, в частности по меньшей мере 1068 нм или более, предпочтительно сохраняя при этом свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g, высокое поперечное сечение пучка и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе силиката с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, например, 1062 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 1065 нм или более, в частности по меньшей мере 1068 нм или более, предпочтительно сохраняя при этом свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g, высокое поперечное сечение и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината или силиката с поперечным сечением пучка (σ_em)≥1,5×10^-20 см², например, 1,6×10^-20 см² или более, предпочтительно по меньшей мере 1,8×10^-20 см² или более, при этом предпочтительно также достигая длины волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината с поперечным сечением пучка (σ_em)≥1,5×10^-20 см², например, 1,6×10^-20 см² или более, предпочтительно по меньшей мере 1,8×10^-20 см² или более, при этом предпочтительно также достигая длины волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе силиката с поперечным сечением пучка (σ_em)≥1,5×10^-20 см², например, 1,6×10^-20 см² или более, предпочтительно по меньшей мере, 1,8×10^-20 см² или более, при этом предпочтительно также достигая длины волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината или силиката с шириной полосы излучения (Δλ_eff)≥28 нм, например, 30 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 35 нм или более, в частности по меньшей мере 40 нм или более, при этом предпочтительно также достигая длину волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината с шириной полосы излучения (Δλ_eff)≥28 нм, например, 30 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 35 нм или более, в частности по меньшей мере 40 нм или более, при этом предпочтительно также достигая длины волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание лазерного стекла, допированного Nd, на основе силиката с шириной полосы излучения (Δλ_eff)≥28 нм, например, 30 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 35 нм или более, в частности по меньшей мере 40 нм или более, при этом предпочтительно также достигая длины волны излучения более 1059,7 нм и сохраняя свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерной системы с использованием устройства смешанного стекла и фазовой компенсации, в которой одно из стекол системы смешанного стекла является лазерным стеклом, допированным Nd, на основе алюмината или силиката с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, например по меньшей мере на 2 нм больше, предпочтительно по меньшей мере на 5 нм больше, в частности по меньшей мере на 8 нм или более.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерной системы с использованием устройства смешанного стекла и фазовой компенсации, в которой одно из стекол системы смешанного стекла является лазерным стеклом, допированным Nd, на основе силиката с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7, например, 1062 нм или более.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерной системы с использованием устройства смешанного стекла и фазовой компенсации, в которой одно из стекол системы смешанного стекла является лазерным стеклом, допированным Nd, на основе алюмината или силиката с поперечным сечением пучка (σ_em)≥1,5×10^-20 см², например, 1,6×10^-20 см² или более, предпочтительно по меньшей мере 1,8×10^-20 см² или более и с длиной волны пика излучения более 1059,7 нм.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерной системы с использованием устройства смешанного стекла и фазовой компенсации, в которой одно из стекол системы смешанного стекла является лазерным стеклом, допированным Nd, на основе алюмината или силиката с шириной полосы излучения (Δλ_eff)≥28 нм, например, 30 нм или более, предпочтительно по меньшей мере 35 нм или более, в частности по меньшей мере 40 нм или более и длиной волны пика излучения более 1059,7 нм.

Другой целью настоящего изобретения является создание лазерной системы с выходной мощностью системы, составляющей по меньшей мере петаватт в импульсе или более, и в которой система использует устройства смешанного стекла и фазовую компенсацию, и одно из стекол системы смешанного стекла является лазерным стеклом, дотированным Nd, на основе алюмината или силиката с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, например по меньшей мере на 2 нм больше, предпочтительно по меньшей мере на 5 нм больше, в частности по меньшей мере на 8 нм или более.

Другой целью настоящего изобретения является способ увеличения длины волны пика излучения лазерного стекла, допированного Nd, на основе алюмината или силиката по меньшей мере на 2 нм, предпочтительно по меньшей мере на 5 нм, в частности по меньшей мере на 8 нм. Например, способ увеличивает длину волны пика излучения лазерного стекла, допированного Nd, от средней длины волны около 1060 нм до длины волны, которая более, чем около 1060 нм, например, 1062 нм или более, предпочтительно 1065 нм или более, в частности, 1068 нм или более.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения вышеуказанное алюминатное стекло дополнительно включает ZnO и/или B₂O₃, например, частичным замещением Al₂O₃ на ZnO и/или B₂O₃. Эта замена приводит к снижению температуры плавления алюминатного стекла, что значительно облегчает возможность перехода к крупномасштабному производству.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения вышеуказанное алюминатное стекло дополнительно включает Y₂O₃. Оксид иттрия не только уменьшает склонность к расстекловыванию алюминатного стекла, но также облегчает смещение длины волны пика излучения в длинноволновую область.

Кроме того, как описано в патенте US 5,526,369, в современных конструкциях лазерных систем высокой мощности, вариант композиции стекла, используемого в качестве активного лазерной среды, может быть использован в качестве стекла оболочки, которая прикреплена при помощи клея к контурам блоков или дисков, изготовленных из активного лазерного стекла. Композиция стекла оболочки, как правило, такая же, что и генерирующего стекла, за исключением того, что в стекле отсутствуют генерирующие частицы (см., например, недопированное лазерное стекло оболочки волокна описано в US 4,217,382). Кроме того, генерирующие частицы могут быть опущены и вместо этого стекло допировано одним или несколькими видами металлов, например, Cu или Sm, которые придают стеклу характеристики светофильтра для использования в качестве оболочек лазерного допированного стекла. Таким образом, другой целью настоящего изобретения является стекло оболочки с той же композицией, что и лазерное стекло, за исключением того, что отсутствуют генерирующие ионы, и оно необязательно допировано оксидами меди и/или самария.

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 определенных окислов металлов в исходную систему стекла на основе алюмината или силиката для достижения длины волны пика излучения более 1059,7 нм и/или поперечного сечения пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширины полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, сохраняя при этом другие лазерные свойства и физические свойства, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования.

В соответствии с осуществлением изобретения, предложена композиция алюминатного стекла, допированного Nd, в которой основная композиция стекла включает (в % мол.):

Al₂O₃ 10,00-45,00 СаО 20,00-65,00 ВаО 0,00-15,0 SiO₂ 0,00-25,00 B₂O₃ 0,00-40,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00

где мольное отношение СаО к Al₂O₃ основного стекла составляет 1,5-2,5 и мольное отношение МО/R₂O₃ находится в диапазоне 0,5-3,0 (где MO является суммой ВаО+СаО и R₂O₃ является суммой Al₂O₃+B₂O₃),

основное стекло модифицируют для включения Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Bi₂O₃ и/или ZnO, для достижения длины волны пика излучения более 1059,7 нм, и/или поперечного сечения пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширины полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и в котором получаемое стекло имеет температуру стеклования T_g менее 850°C и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

В целом, основное стекло модифицируют для замены части СаО и/или Al₂O₃ на Ga₂O3, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, B₂O₃ и/или ZnO. Что касается отдельных оксидов металлов, получаемая композиция стекла может содержать 0,00-40,00% мол. Ga₂O₃, 0,00-10,00% мол. ZrO₂, 0,00-10,00% мол. Y₂O₃, 0,00-10,00% мол. Nb₂O₅, 0,00-20,00% мол. B₂O₃, и/или 0,00-10,00% мол. ZnO. Кроме того, стекло включает по меньшей мере 5,0% мол. Ga₂O₃, 1,0% мол. ZrO₂, 0,05% мол. Y₂O₃, 1,0% мол. Nb₂O₅ 1,0% мол. B₂O₃ или 0,5% мол. ZnO и сумму Al₂O₃, Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, B₂O₃ и ZnO не более 40% мол.

Таким образом, в соответствии с осуществлением изобретения предложена композиция алюминатного стекла, допированного Nd, включающая (в % мол.):

Al₂O₃ 0,00-40,00 CaO 20,00-65,00 BaO 0,00-8,00 SiO₂ 0,00-21,00 B₂O₃ 0,00-40,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Ga₂O₃ 0,00-40,00 ZrO₂ 0,00-10,00 Y₂O₃ 0,00-10,00 Nb₂O₅ 0,00-10,00 Bi₂O₃ 0,00-10,00 ZnO 0,00-10,00

где стекло содержит по меньшей мере 5,0% мол. Ga₂O₃, 1,0% мол. ZrO₂, 0,05% мол. Y₂O₃, 1,0% мол. Nb₂O5, 0,5% мол. Bi₂O₃ или 0,5% мол. ZnO,

сумма Al₂O₃, Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, В₂О₃, Bi₂O₃ и ZnO составляет не более 60% мол.,

длина волны пика излучения композиции стекла более 1059,7 нм и/или поперечное сечение пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и температура стеклования T_g стекла составляет менее 850°C, и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

Кроме того, композиция алюминатного стекла, допированного Nd, в соответствии с изобретением может дополнительно включать 0,0-10% мол. , в которой является суммой Gd₂O₃ и La₂O₃.

Кроме того, композиция алюминатного стекла, допированного Nd, в соответствии с изобретением может включать 0,0-10,00% мол. M₂O, где M₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O.

Кроме того, композиция алюминатного стекла, допированного Nd, в соответствии с изобретением может включать 0,0-10,00% мол. M'О, в котором M'О является суммой MgO, CaO и SrO.

В соответствии с другим осуществлением композиция алюминатного стекла, допированного Nd, включает (в % мол.):

Al₂O₃ 15,00-40,00 СаО 45-62,00 ВаО 0,0-5,0 SiO₂ 5,00-10,00 Nd₂O₃ 0,25-3,00 Ga₂O₃ 0,00-35,00 ZrO₂ 0,00-8,00 Y₂O₃ 0,00-8,00 Nb₂O₅ 0,00-8,00 B₂O₃ 0,00-10,00 ZnO 0,00-10,00 R₂O₃ 0,00-5,00 M₂O 0,00-5,00 М'O 0,00-5,00

где стекло содержит по меньшей мере 5,0% мол. Ga₂O₃, 1,0% мол. ZrO₂, 0,05% мол. Y₂O₃, 1,0% мол. ND₂O₅, 0,5% мол. Bi₂O₃ или 0,5% мол. ZnO, и

сумма Al₂O₃, Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, Bi₂O₃ и ZnO составляет не более 40% мол.

R₂O₃ является суммой Gd₂O₃ и La₂O₃,

M₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O,

M'О является суммой MgO, СаО и SrO,

длина волны пика излучения композиции стекла более 1059,7 нм и/или поперечное сечение пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и температура стеклования T_g стекла составляет менее 850°C, и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

В соответствии с другим осуществлением изобретения предложена композиция натриевого стекла, допированного Nd, в которой основная композиция стекла включает (в % мол.):

SiO₂ 40,00-75,00 Na₂O 10,00-35,00 B₂O₃ 0,00-20,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Sb₂O₃ 0,00-1,00

где сумма SiO₂ и Na₂O в основном стекле составляет по меньшей мере 84,5% мол., и

где основное стекло модифицируют для включения ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Y₂O₃ и/или La₂O₃ для достижения длины волны пика излучения более 1059,7 нм и/или поперечного сечения пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширины полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и

стекло имеет температуру стеклования T_g менее 850°C и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

В целом, основное стекло модифицируют для замены части SiO₂ и/или Na₂O на ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Y₂O₃ и/или La₂O₃. Что касается отдельных оксидов металлов, то получаемая композиция стекла может включать 0,00-20,00% мол ZrO₂, 0,00-20,00% мол. Nb₂O₅, 0,00-15,00% мол. Ta₂O₅, 0,00-20,00% мол. Y₂O₃ и/или 0,00-20,00% мол. La₂O₃. Кроме того, стекло содержит по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, 1,0% мол. Nb₂O₅, 0,5% мол. Ta₂O₅, 0,05% мол. Y₂O₃ или 0,5% мол. La₂O₃.

Таким образом, в соответствии с осуществлением изобретения предложена композиция натриевого стекла, допированного Nd, включающая (в % мол.):

SiO₂ 40,00-75,00 Na₂O 10,00-35,00 B₂O₃ 0,00-20,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Sb₂O₃ 0,00-1,00 ZrO₂ 0,00-20,00 Nb₂O₅ 0,00-20,00 Ta₂O₅ 0,00-15,00 Y₂O₃ 0,00-20,00 La₂O₃ 0,00-20,00

где стекло содержит по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, 1,0% мол. Nb₂O₅, 0,5% мол. Ta₂O₅, 0,05% мол. Y₂O₃ или 0,5% мол. La₂O₃,

длина волны пика излучения стекла более 1059,7 нм и/или поперечное сечения пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и

стекло имеет температуру стеклования T_g менее 850°C и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

В соответствии с другим осуществлением изобретения композиция натриевого стекла, допированного Nd, включает (в % мол.):

SiO₂ 50,00-72,00 Na₂O 10,00-22,00 B₂O₃ 4,00-20,00 Nd₂O₃ 0,25-5,00 Sb₂O₃ 0,05-1,00

где стекло содержит по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, 1,0% мол. Nb₂O₅, 0,5% мол. Ta₂O₅, 0,05% мол. Y₂O₃ или 0,5% мол. La₂O₃,

длина волны пика излучения стекла более 1059,7 нм и/или поперечное сечения пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и

стекло имеет температуру стеклования T_g менее 850°C и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

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 алюминатном основном стекле Al₂O₃ действует в качестве источника основы сетчатой структуры. Таким образом, согласно другому аспекту настоящего изобретения композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-40,00% мол. Al₂O₃, например, 10,00-40,00% мол. Al₂O₃, например, 20,00-40,00% мол. Al₂O₃ или 27,00-40,00% мол. Al₂O₃, или 27,00-35,00% мол. Al₂O₃, или 27,00-32,00% мол. Al₂O₃.

В композиции алюминатного стекла СаО в основном действует в качестве промежуточного стеклообразующего компонента совместно с Al₂O₃ с образованием стекла. Таким образом, согласно другому аспекту, композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 20,00-65,00% мол. CaO, например, 30,00-60,00% мол. CaO или 35,00-55,00% мол. CaO, или 40,00-55,00% мол. CaO или 45,00-55.00% мол. CaO.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-8,00% мол. BaO, например, 2,00-8,00% мол. BaO или 3,00-7,00% мол. BaO, или 4,00-6,00% мол. BaO. В этой композиции стекла BaO также обычно действует как модификатор стекла.

В композиции алюминатного стекла SiO₂ обычно совместно участвует в образовании сетчатой структуры. Таким образом, согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-21,00% мол. SiO₂, например, 5,00-20,00% мол. SiO₂, или 5,00-15,00% мол. SiO₂, или 8,00-15,00% мол. SiO₂, или 8,00-12,00% мол. SiO₂.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-40,00% мол. B₂O₃, например, 1,00-40,00% мол. B₂O₃, или 0,00-35,00% мол. B₂O₃, или 0,00-30,00% мол. B₂O₃, или 0,00-25,00% мол. B₂O₃, или 1,00-20,00% мол. B₂O₃, или 0,00-15,00% мол. B₂O₃, или 0,00-10,00% мол. B₂O₃, или 0,00-8,00% мол. B₂O₃, или 2,00-8,00% мол. B₂O₃, или 3,00-7,00% мол. B₂O₃.

Nd₂O₃ обеспечивает генерирующие ионы в композиции стекла. В соответствии с другим аспектом изобретения композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,25-4,00% мол. Nd₂O₃, например, 0,25-3,00% мол. Nd₂O₃ или 0,25-2,00% мол. Nd₂O₃, или 0,25-1,00% мол. Nd₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-40,00% мол. Ga₂O₃, например, 5,00-40,00% мол. Ga₂O₃ или 0,00-35,00% мол. Ga₂O₃, или 5,00-35,00% мол. Ga₂O₃ или 10,00-35,00% мол. Ga₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-10,00% мол. ZrO₂, например, 1,00-10,00% мол. ZrO₂ или 0,00-8,00% мол. ZrO₂, или 2,00-8,00 мол. % ZrO₂ или 3,00-7,00% мол. ZrO₂.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-10,00% мол. Y₂O₃, например, 0,05-10,00% мол. Y₂O₃ или 0,00-8,00% мол. Y₂O₃, или 2,00-8,00 мол % Y₂O₃ или 2,00-7,00% мол. Y₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-10,00% мол. Nb₂O₅, например, 1,00-10,00% мол. Nb₂O₅ или 0,00-8,00% мол. Nb₂O₅, или 2,00-8,00 мол % Nb₂O₅ или 3,00-7,00% мол. Nb₂O₅.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,50-10,00% мол. Bi₂O₃, например, 0,75-8,00% мол. Bi₂O₃ или 0,75-7,00% мол. Bi₂O₃, или 0,75-6,00% мол. Bi₂O₃, или 0,75-5,00% мол. Bi₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция алюминатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-10,00% мол. ZnO, например, 0,50-10,00% мол. ZnO или 1,00-10,00% мол. ZnO, или 3,00-10,00% мол. ZnO, или 5,00-10,00% мол. ZnO.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает, например, 40,00-72,00% мол. SiO₂, например, 40,00-70,00% мол. SiO₂ или 45,00-65,00% мол. SiO₂, или 45,00-60,00% мол. SiO₂, или 50,00-60,00% мол. SiO₂.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 10,00-35,00% мол. Na₂O, например, 15,00-35,00% мол. Na₂O или 15,00-25,00% мол. Na₂O, или 16,00-25.00% мол. Na₂O, или 18,00-25,00% мол. Na₂O, или 18,00-23,00% мол. Na₂O.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-20,00% мол. B₂O₃, например, 1,00-18,00% мол. B₂O₃ или 5,00-18,00% мол. B₂O₃, или 5,00-15,00% мол. B₂O₃, или 10,00-18,00% мол. B₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,25-4,00% мол. Nd₂O₃, например, 1,00-4,00% мол. Nd₂O₃ или 1,00-2,50% мол. Nd₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-20,00% мол. ZrO₂, например, 1,00-20,00% мол. ZrO₂ или 0,00-15,00% мол. ZrO₂, или 0,00-10,00% мол. ZrO₂, или 0,00-8,00% мол. ZrO₂, или 1,00-8,00% мол. ZrO₂, или 2,00-8,00% мол. ZrO₂, или 3,00-7,00% мол. ZrO₂.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-20,00% мол. Nb₂O₅, например, 1,00-20,00% мол. Nb₂O₅ или 0,00-15,00% мол. Nb₂O₅, или 0,00-10,00% мол. Nb₂O₅, или 0,00-8,00% мол. Nb₂O₅, или 1,00-8,00% мол. Nb₂O₅, или 2,00-8,00% мол. Nb₂O₅, или 3,00-7,00% мол. Nb₂O₅.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-15,00% мол. Ta₂O₅, например, 0,50-15,00% мол. Ta₂O₅ или 0,00-12,00% мол. Ta₂O₅, или 0,00-10,00% мол. Ta₂O₅, или 0,00-8,00% мол. Ta₂O₅, или 1,00-8,00% мол. Ta₂O₅, или 2,00-8,00% мол. Ta₂O₅, или 3,00-7,00% мол. Ta₂O₅.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-20,00% мол. Y₂O₃, например, 0,50-20,00% мол. Y₂O₃ или 1,00-20,00% мол. Y₂O₃, или 0,00-15,00% мол. Y₂O₃, или 0,00-10,00% мол. Y₂O₃, или 0,00-8,00% мол. Y₂O₃, или 0,50-8,00% мол. Y₂O₃, или 2,00-8,00% мол. Y₂O₃, или 3,00-7,00% мол. Y₂O₃.

Согласно другому аспекту композиция натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением включает 0,00-20,00% мол. La₂O₃, например, 0,50-20,00% мол. La₂O₃ или 1,00-20,00% мол. La₂O₃, или 0,00-15,00% мол. La₂O₃, или 0,00-10,00% мол. La₂O₃, или 0,00-8,00% мол. La₂O₃, или 0,50-8,00% мол. La₂O₃, или 2,00-8,00% мол. La₂O₃, или 3,00-7,00% мол. La₂O₃.

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 изобретения композиции алюминатного или натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением обладает шириной полосы пика излучения по меньшей мере 1060 нм, предпочтительно по меньшей мере 1061 нм, в частности по меньшей мере 1065 нм, например 1060-1069 нм или 1060-1068 нм или 1060-1067 нм.

В соответствии с другим аспектом изобретения композиции алюминатного или натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением обладает поперечным сечением пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², предпочтительно, по меньшей мере 1,8×10^-20 см², в частности по меньшей мере 2,0×10^-20 см², например, 1,6-2,8×10^-20 см² или 1,8-2,7×10^-20 см² или 2,0-2,7×10^-20 см².

В соответствии с другим аспектом изобретения композиции алюминатного или натриево-силикатного стекла в соответствии с изобретением обладает эффективной шириной полосы излучения (Δ_λeff) по меньшей мере 30 нм, предпочтительно по меньшей мере 35 нм, в частности по меньшей мере 37 нм, в частности по меньшей мере 40 нм, например, 34-40 нм или 38-40 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 Miniscalco 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 Джадца-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 сдвиг длины волны пика излучения алюминатного основного стекла в длинноволновую область и уширение поперечного сечения пика излучения за счет добавления ZnO; и

фиг.2 графически иллюстрирует сдвиг длины волны пика излучения натриевого основного стекла в длинноволновую область и уширение поперечного сечения пика излучения за счет добавления B₂O₃ и оксидов переходных металлов.

Примеры

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

Таблицы 1A-1C представляют алюминатные композиции в соответствии с изобретением и таблица 3 представляет натриево-силикатные композиций в соответствии с изобретением. Результаты этих определения свойств и расчетов подробно описаны в таблицах 2A-2C для алюминатных стекол в соответствии с изобретением и в таблице 4 для натриево-силикатных стекол в соответствии с изобретением.

Таблица 1A Стекло на основе алюмината Оксид металла (% мол.) Основное стекло Прим. 1 Прим. 2 Прим. 3 Прим. 4 Прим. 5 Прим. 6 Прим. 7 СаО 52,00 52,00 52,00 52,00 52,00 47,00 47,00 47,00 Nd₂O₃ 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 BaO 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 SiO₂ 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 Al₂O₃ 32,00 20,00 27,00 27,00 32,00 32,00 32,00 Ga₂O₃ 12,00 32,00 ZrO₂ 5,00 Y₂O₃ 5,00 MoO₂ 5,00 WO₃ 5,00 Ta₂O₅ 5,00

Таблица 1B Стекло на основе алюмината Оксид металла (% мол.) Основное стекло Прим. 8 Прим. 9 Прим. 10 Прим. 11 Прим. 12 Прим. 13 Прим. 14 СаО 52,00 47,00 49,50 47,00 52,00 52,00 52,00 52,00 Nd₂O₃ 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 BaO 5,00 5,00 4,70 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 SiO₂ 10,50 10,50 10,00 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 Al₂O₃ 32,00 32,00 19,00 27,00 22,70 22,00 30,75 Ga₂O₃ 11,40 32,00 ZrO₂ 4,80 5,00 Nb₂O₅ 5,00 B₂O₃ 5,00 ZnO 9,30 7,50 Y₂O₃ 2,50 La₂O₃ 1,25

Таблица 1С Стекло на основе алюмината Оксид металла (% мол.) Основное стекло Прим. 15 Прим. 16 Прим. 17 Прим. 18 Прим. 19 Прим. 20 Прим. 21 СаО 52,00 52,00 52,00 52,00 52,00 47,00 47,00 47,00 Nd₂O₃ 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 BaO 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 SiO₂ 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 10,50 Al₂O₃ 32,00 27,00 31,00 31,12 30,88 32,00 32,00 27,00 TiO₂ 5,00 B₂O₃ 5,00 Ta₂O₅ 1,00 Bi₂O₃ 0,88 Gd₂O₃ 1,12 Na₂O 5,00 Li₂O 5,00 SrO 5,00

Таблица 2А Лазерные свойства стекол на основе алюмината Лазерные свойства Основное стекло Прим. 1 Прим. 2 Прим. 3 Прим. 4 Прим. 5 Прим. 6 Прим. 7 λ_Peak [HM] 1067,00 1067,02 Высокая температура плавления 1068,12 1068,80 Высокая температура плавления Высокая температура плавления Высокая температура плавления Δλ_eff [HM] 48,26 45,47 46,11 47,15 σ_em пика [10^-20 см²] 1,8 1,9 2,5 2,3 Δλ_FWHM [HM] 41,2 37,3 37,5 38,6 τ_R [мксек] 349 348 262 261 Ω₂ [10^-20 см²] 4,9 5,2 5,1 4,7 Ω₄ [10^-20 см²] 4,2 3,3 4,4 5,6 Ω₆ [10^-20 см²] 4,0 4,4 5,8 4,7 Нелинейный показатель преломления, n₂ 2,92 3,34 3,11 3,13 Темп. стеклования T_g >835,00 799,5 820,3 826,5

Таблица 2В Лазерные свойства стекол на основе алюмината Лазерные свойства Основное стекло Прим. 8 Прим. 9 Прим. 10 Прим. 11 Прим. 12 Прим. 13 Прим. 14 λ_Peak [HM] 1067,00 1065,89 1067,10 1065,87 1065,64 1067,74 1068,75 Кристалл в общей массе Δλ_eff [HM] 48,26 42,12 43,50 42,11 43,39 46,81 47,47 σ_em пика [10^-20 см²] 1,8 2,2 2,6 2,5 2,3 2,0 1,9 Δλ_FWHM [HM] 41,2 29,8 36,1 34,8 35,4 37,6 39,1 τ_R [мксек] 349 287 267 253 309 324 304 Ω₂ [10^-20 см²] 4,9 6,3 4,7 4,2 4,1 4,9 4,3 Ω₄ [10^-20 см²] 4,2 4,1 4,1 4,8 4,4 4,0 4,6 Ω₆ [10^-20 см²] 4,0 4,1 5,6 4,4 4,7 4,3 4,1 Нелинейный показатель преломления, n₂ 2,92 NA* 3,64 5,27 2,52 3,29 3,35 Темп. стеклования T_g >835,00 801,3 816,3 759,0 774,5 740,2 749,6 * NA = отсутствует

Таблица 2С Лазерные свойства стекол на основе алюмината Лазерные свойства Основное стекло Прим. 15 Прим. 16 Прим. 17 Прим. 18 Прим. 19 Прим. 20 Прим. 21 λ_Peak [HM] 1067,00 Кристалл в общей массе Кристалл в общей массе 1067,94 1067,77 Расстеклованное 1067,64 1064,00 Δλ_eff [HM] 48,26 46,76 NA NA NA σ_em пика [10^-20 см²] 1,8 1,9 2,0 2,01 2,3 Δλ_FWHM [HM] 41,2 37,6 NA NA NA τ_R[мксек] 349 324 316,8 337,6 304 Ω₂ [10^-20 см²] 4,9 4,8 4,5 4,37 3,76 Ω₄ [10^-20 см²] 4,2 4,3 4,6 4,13 4,66 Ω₆ [10^-20 см²] 4,0 4,3 4,3 4,1 4,83 Нелинейный показатель преломления, n₂ 2,92 3,06 NA 2,82 2,46 Темп. стеклования T_g >835,00 817,5 825,2 802 NA * NA = отсутствует

Таблица 3 Стекло на основе силиката натрия Оксид Основное стекло Прим. 22 Прим. 23 Прим. 24 Прим. 25 Прим. 26 Прим. 27 Прим. 28 Прим. 29 % мол. SiO₂ 66,60 73,00 60,00 60,00 60,00 57,00 57,00 57,00 60,00 Al₂O₃ 3,00 3,00 3,00 B₂O₃ 5,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 Na₂O 33,30 22,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 ZrO₂ 5,00 5,00 Nb₂O₅ 5,00 Ta₂O₅ 5,00 5,00 Y₂O₃ 5,00 La₂O₃ 5,00 Nd₂O₃ 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 Sb₂O₃ 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10

Таблица 4 Лазерные свойства стекол на основе силиката натрия Свойства Основное стекло Прим. 22 Прим. 23 Прим. 24 Прим. 25 Прим. 26 Прим. 27 Прим. 28 Прим. 29 λ_Peak [HM] 1059,18 1059,18 1061,40 1060,46 1060,92 1060,48 1059,97 1061,01 1061,00 Δλ_eff [HM] 33,60 35,65 39,25 38,88 40,14 40,98 39,35 36,84 NA σ_em пика [10^-20 см²] 1,83 1,57 1,64 2,06 1,88 1,9 2,2 2,6 2,43 Δλ_FWHM [нм] 25,30 27,30 29,40 31,40 31,00 31,8 31,0 29,2 NA τ_R [мксек] 573,60 626,40 521,30 401,00 446,70 432 376 355 376 Ω₂ [10^-20 см²] 3,81 3,96 4,70 6,80 6,44 5,0 6,5 4,2 4,46 Ω₄ [10^-20 см²] 3,29 3,05 3,42 4,16 4,40 4,0 4,3 4,5 4,6 Ω₆ [10^-20 см²] 3,30 2,98 3,30 3,99 3,82 4,1 4,3 4,9 4,65 Нелинейный показатель преломления, n₂ 1,41 1,28 1,50 2,27 2,23 1,51 2,14 1,57 1,46 Темп. стеклования T_g 471,5 525,9 620,3 618,5 643,4 564,0 573,0 557,0 583,0

Как видно из таблиц 2A-2C, в примере у основного алюминатного стекла большая длина волны пика излучения 1067 нм и широкая эффективная полоса излучения (Δλ_eff) 48,26 нм, а также высокое поперечное сечение пучка излучения (σ_em) 1,8×10^-20 см². Однако у этого стекла очень высокая температура стеклования T_g>835°C, что делает стекло непригодным для коммерциализации.

В примере 1 замена части Al₂O₃ в основном алюминатном стекле на Ga₂O₃ уширяет полосу пика излучения без отрицательного воздействия на длину волны пика излучения. Кроме того, у стекла примера 1 более высокое поперечное сечение пучка излучения (σ_em) 1,9×10^-20 см². Несмотря на то, что эффективная ширина полосы излучения (Δλ_eff) в примере 1 ниже (т.е. 45,47 нм), ширина полосы излучения по-прежнему очень большая.

В примерах 3-4 замена части Al₂O₃ основного алюминатного стекла на переходные металлы ZrO₂ и Y₂O₃ заметно увеличивает поперечное сечение пучка излучения (σ_em) (2,5×10^-20 см² и 2,5×10^-20 см²), а также увеличивает длину волны пика излучения на 1-2 нм. Опять же, в то время как эффективная ширина полосы излучения (Δλ_eff) в примерах 3 и 4 ниже, чем в примере основного стекла (т.е. 46,11 нм и 47,15 нм), ширина полосы излучения по-прежнему довольно большая.

В примере 8 замена части CaO в основном алюминатном стекле на Nb₂O₅ понижает длину волны пика излучения, но остающуюся все еще очень большой, то есть 1065,89 нм. Кроме того, в то время как эффективная ширина полосы излучения (Δλ_eff) меньше (42,12 нм), поперечное сечение пика излучения (σ_em) заметно возрастает (то есть 2,2×10^-20 см²). Подобные результаты были достигнуты при замене части Al₂O₃ на B₂O₃. См. пример 11.

Объединение Ga₂O₃ с переходным металлом, ZrO₂, существенно увеличивает поперечное сечение пика излучения и незначительно увеличивает длину волны пика излучения. См. пример 9. В примере 10, который объединяет высокое количество Ga₂O₃ с переходным металлом, ZrO₂, поперечное сечение пика излучения остается высоким и длина волны пика излучения немного уменьшается.

В примере 12 добавление ZnO приводит к заметному увеличению длины волны пика излучения и заметному увеличению поперечного сечения пика излучения. В примере 13 объединение Y₂O₃ и ZnO приводит к еще большему увеличению длины волны пика излучения. Присутствие оксида цинка также обеспечивает дополнительное преимущество в снижения температуры плавления стекла на основе алюмината. При понижении температуры плавления стекла на основе алюмината позволяет варить стекло в стандартной электрической печи, что значительно облегчает возможность масштабирования производственного процесса.

Замена части Al₂O₃ на Bi₂O₃ увеличивает поперечное сечение пика полосы излучения и длину волны пика излучения. См. пример 17. Аналогичным образом, замена части Al₂O₃ на Gd₂O₃ увеличивает поперечное сечение пика полосы излучения и длину волны пика излучения. См. Пример 18. Замена части СаО на SrO также увеличивает длину волны пика излучения. См. Пример 20. Замена часть СаО и Al₂O₃ на В₂О₃ и Li₂O снижает длину волны пика излучения, но увеличивает поперечное сечение пика полосы излучения.

Как можно видеть из примера 22, замена части Na₂O основного натриево-силикатного стекла на B₂O₃ увеличивает ширину полосы пика излучения (от 33,60 нм до 35,65 нм) без отрицательного влияния на длину волны пика излучения, демонстрируемую композицией основного силикатного стекла (т.е. 1059,18 нм). С другой стороны, когда часть SiO₂ и Na₂O заменено на B₂O₃ и ZrO₂, длина волны пика излучения заметно увеличивается, в то время как ширина полосы пика излучения также увеличивается. См. пример 23. Кроме того, замена части SiO₂ и Na₂O на B₂O₃ и Nb₂O₅ заметно увеличивает длину волны пика излучения и ширину полосы излучения, и увеличивает поперечное сечение пучка излучения (2,06×10^-20 см² по сравнению с 1,83×10^-20 см²). См. пример 24. Когда часть SiO₂ и Na₂O заменено на B₂O₃ и Ta₂O₅, получено большее увеличение длины волны пика излучения и ширины полосы излучения, и также получено увеличение поперечного сечения пучка излучения. См. пример 25.

Важно отметить, что увеличение ширины полосы излучения и длины волны пика излучения не уменьшают поперечное сечение пучка излучения в примерах 23 и 24. Согласно Фухтбауэру и Ладенбургу это требует снижения излучательного времени жизни (τ_R), что также можно видеть на фиг. Как правило, желательно поддерживать значение времени жизни превышающее ~200 мкс для обеспечения эффективной накачки импульсной лампой, а также поддерживать поперечное сечение ~2,0×10^-20 см² с тем чтобы обеспечить эффективное накопление и выход энергии. Это минимальное значение времени жизни превышено во всех примерах в данном описании, и минимальное искомое поперечное сечение поддерживается в примерах 3, 4, 8-12 и 23, иллюстрирующих особую пригодность ZnO, Y₂O₃, Nb₂O₅ и B₂O₃, так как эти оксиды могут служить для увеличения и ширины полосы и поперечного сечения в обеих системах стекла.

В примерах 26-28 часть SiO₂ основного натриево-силикатного стекла заменена на комбинацию Al₂O₃ и ZrO₂, Ta₂O₅ или La₂O₃. В каждом случае, при сравнении с основным натриево-силикатным стеклом, у стекла более высокая длина волны пика излучения, повышенная ширина пика полосы излучения и повышенное поперечное сечение излучения (2,6×10^-20 см² в случае примера 28). В примере 29 часть SiO₂ и часть Na₂O заменены на В₂О₃ и Y₂O₃. Это привело к более высокой длине волны пика излучения и увеличению поперечного сечения излучения.

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 лазерному стеклу, допированному Nd, с длиной волны пика излучения, превышающей 1059,7 нм, поперечным сечением пучка излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см² и/или шириной полосы излучения (Δ_λeff)≥28 нм, при сохранении свойств, которые делают стекло подходящим для коммерческого использования, такие как низкая температура стеклования T_g и низкий нелинейный показатель преломления n₂. Изобретение также относится к твердотельной лазерной системе на основе указанного стекла и к способу генерации импульса лазерного луча, включающему накачку импульсной лампой или диодную накачку твердой усиливающей среды указанной лазерной системы. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 2 ил., 8 табл.

1. Композиция стекла, допированного Nd, включающая, % мол.:

A₂O₃ 0,00-40,00 CaO 20,00-65,00 BaO 0,00-8,00 SiO₂ 0,00-21,00 B₂O₃ 0,00-40,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Ga₂O₃ 0,00-40,00 ZrO₂ 0,00-10,00 Y₂O₃ 0,00-10,00 Nb₂O₅ 0,00-10,00 Bi₂O₃ 0,00-10,00 ZnO 0,00-10,00

где стекло включает по меньшей мере 5,0% мол. Ga₂O₃, по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, по меньшей мере 0,05% мол. Y₂O₃, по меньшей мере 1,0% мол. Nb₂O₅, по меньшей мере 0,5% мол. Bi₂O₃ или по меньшей мере 0,5% мол. ZnO,

сумма Al₂O₃, Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, B₂O₃, Bi₂O₃ и ZnO составляет не более 60% мол.,

длина волны пика излучения композиции стекла составляет более 1059,7 нм, и/или поперечное сечение излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и

температура стеклования T_g стекла составляет менее 850°C, и нелинейный показатель преломления n₂, <4,0.

2. Композиция стекла по п.1, которая включает 0,0-10,00% мол. M₂O, где M₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O.

3. Композиция стекла по п.1, которая включает 10,00-40,00% мол. Al₂O₃.

4. Композиция стекла по п.1, которая включает 30,00-60,00% мол. CaO.

5. Композиция стекла по п.1, которая включает 2,00-8,00% мол. BaO.

6. Композиция стекла по п.1, которая включает 5,00-20,00% мол. SiO₂.

7. Композиция стекла по п.1, которая включает 1,00-20,00% мол. B₂O₃.

8. Композиция стекла по п.1, которая включает 0,25-3,00% мол. Nd₂O₃.

9. Композиция стекла по п.1, которая включает 5,00-40,00% мол. Ga₂O₃.

10. Композиция стекла по п.1, которая включает 1,00-10,00% мол. ZrO₂.

11. Композиция стекла по п.1, которая включает 0,05-10,00% мол. Y₂O₃.

12. Композиция стекла по п.1, которая включает 1,00-10,00% мол. Nb₂O₅.

13. Композиция стекла по п.1, которая включает 0,75-8,00% мол. Bi₂O₃.

14. Композиция стекла по п.1, которая включает 0,50-10,00% мол. ZnO.

15. Композиция стекла по п.1, которая включает, % мол.:

Al₂O₃ 15,00-40,00 CaO 45-62,00 BaO 0,00-5,0 SiO₂ 5,00-10,00 Nd₂O₃ 0,25-3,00 Ga₂O₃ 0,00-35,00 ZrO₂ 0,00-8,00 Y₂O₃ 0,00-8,00 Nb₂O₅ 0,00-8,00 B₂O₃ 0,00-10,00 ZnO 0,00-10,00 R₂O₃ 0,00-5,00 M₂O 0,00-5,00 M'O 0,00-5,00

где стекло включает по меньшей мере 5,0% мол. Ga₂O₃, по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, по меньшей мере 0,05% мол. Y₂O₃, по меньшей мере 2,0% мол. Nb₂O₅, по меньшей мере 0,5% мол. Bi₂O₃ или по меньшей мере 0,5% мол. ZnO, и

сумма Al₂O₃, Ga₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Nb₂O₅, Bi₂O₃, и ZnO составляет не более 40% мол.

R₂O₃ является суммой Gd₂O₃ и La₂O₃,

M₂O является суммой Li₂O, Na₂O, K₂O и Cs₂O,

М'O является суммой MgO, и SrO,

причем длина волны пика излучения композиции стекла составляет более 1059,7 нм, и/или поперечное сечение излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δλ_eff)≥25 нм, и

температура стеклования T_g стекла составляет менее 850°C, и

нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

16. Композиция натриевого стекла, допированного Nd, включающая, % мол.:

SiO₂ 40,00-75,00 Na₂O 10,00-35,00 B₂O₃ 0,00-20,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Sb₂O₃ 0,00-1,00 ZrO₂ 0,00-20,00 Nb₂O₅ 0,00-20,00 Ta₂O₅ 0,00-15,00 Y₂O₃ 0,00-20,00 La₂O₃ 0,00-20,00

где стекло включает, по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, по меньшей мере 2,0% мол. Nb₂O₅, по меньшей мере 0,5% мол. Та₂О₅, по меньшей мере 0,05% мол. Y₂O₃ или по меньшей мере 0,5% мол. La₂O₃,

длина волны пика излучения стекла более 1059,7 нм, и/или поперечное сечение излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δ_λeff)≥25 нм, и

температура стеклования T_g стекла менее 850°C, и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

17. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 15,00-35,00% мол. Na₂O.

18. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 1,00-18,00% мол. B₂O₃.

19. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 1,00-4,00% мол. Nd₂O₃.

20. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 1,00-20,00% мол. ZrO₂.

21. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 2,00-20,00% мол. Nb₂O₅.

22. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 0,50-15,00% мол. Ta₂O₅.

23. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 0,50-20,00% мол. Y₂O₃.

24. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает 0,50-20,00% мол. La₂O₃.

25. Композиция натриевого стекла по п.16, которая включает, % мол.:

SiO₂ 50,00-72,00 Na₂O 10,00-22,00 B₂O₃ 4,00-20,00 Nd₂O₃ 0,25-4,00 Sb₂O₃ 0,05-1,00

где стекло включает по меньшей мере 1,0% мол. ZrO₂, по меньшей мере 2,0% мол. Nb₂O₅, по меньшей мере 0,5% мол. Ta₂O₅, по меньшей мере 0,05% мол. Y₂O₃ или по меньшей мере 0,5% мол. La₂O₃,

длина волны пика излучения стекла более 1059,7 нм, и/или поперечное сечение излучения (σ_em)≥1,5×10^-20 см², и/или ширина полосы излучения (Δ_λeff)≥25 нм, и

температура стеклования T_g стекла менее 850°C и нелинейный показатель преломления n₂<4,0.

26. Твердотельная лазерная система на основе смешанного стекла, включающая фосфатное стекло, допированное Nd, и другое стекло, допированное Nd, в качестве усиливающей твердой среды и источника накачки, отличающаяся тем, что другое стекло, допированное Nd, представляет собой стекло с композицией по любому из пп. 1-25.

27. Лазерная система по п.26, в которой выходная мощность системы составляет, по меньшей мере, петаватт в импульсе или больше.

28. Способ генерации импульса лазерного луча, включающий накачку импульсной лампой или диодную накачку твердой усиливающей среды лазерной системы по п.26 или 27.