КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФЛЮОРИТОПОДОБНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СРА-ЛАЗЕРОВ Российский патент 2019 года по МПК H01S3/16 

Область техники

Изобретение относится к кристаллам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, а именно в CPA-лазерах (от английских слов "chirp pulse amplification") - короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. В частности, изобретение относится к способу увеличения ширины полосы излучения редкоземельных ионов, используемых в качестве генерирующих ионов в активных средах твердотельных лазеров на кристаллах, особенно в составах кристаллов фторидов с флюоритоподобной кубической структурой.

Уровень техники

Одной из важнейших задач лазерной физики является разработка высокоэнергетических лазерных установок способных генерировать лазерные импульсы нано-, пико- и фемтосекундного диапазона. На кристаллических активных средах в качестве задающих генераторов, например, YAG-Nd, YLF-Nd и силикатных или фосфатных лазерных стеклах с неодимом в качестве усилителей, созданы мощные лазерные системы для технологических целей, а также использования в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Выходная мощность современных петаваттных лазерных систем сверхкоротких импульсов, созданных на фосфатном стекле с неодимом для программы УТС (проект NIF, США), достигает 10¹⁵ Вт в импульсном режиме при длительности импульса до 100 фс.

Использование кристаллического материала на основе флюоритоподобных систем благодаря своим спектрально-оптическим и физическим (тепловым) свойствам представляют интерес в прикладном аспекте, например, для создания CPA-лазеров (от английских слов "chirp pulse amplification") - лазеров, генерирующих мощные фемтосекундные световые пучки (D. Stricklend, G. Mouron. Optic Communications. V. 56, p. 219-221, 1985 и Mourou G., Tajima Т., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V. 78. P. 309-371).

CPA-лазер состоит из четырех блоков: генератор, растяжитель, усилитель и компрессор. Принцип работы CPA-лазера описан в (Л.М. Горбунов. Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы // Природа 2007, №4). Слабый (~10^-6 Дж) лазерный импульс фемтосекундного диапазона из генератора поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (так называемый чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения.

Известен квантовый усилитель (патент на изобретение РФ №2411621), где в качестве оптического усилителя предложено использовать оптические усилители на неодимовых стеклах и оксидном кристалле сапфира с титаном.

Наиболее существенный недостаток неодимового стекла - низкая теплопроводность, приводящая к термооптическим возмущениям и термическому разрушению активного элемента. Значительная часть энергии излучения накачки выделяется внутри активного элемента в виде тепла, что приводит к его нагреву, как правило - неравномерному. С этим нагревом связаны оптические искажения, являющиеся одним из основных источников аберраций усилительных каскадов. Кроме того, механические напряжения и деформации, появляющиеся под действием неоднородного температурного поля, приводят к разрушению активного элемента В связи с низкими термооптическими характеристиками неодимовое стекло не используется в мощных лазерных системах с энергией импульсов от несколько сотен джоулей с большими частотами повторения более 1 импульса в час. Одним из способов решения этой задачи является поиск новых материалов для лазерных усилителей, лишенных недостатков, присущих лазерным стеклам. Данные исследований показывают, что величины теплопроводности кристаллических сред значительно выше, чем у стекол. Кроме того, в состав стекла входит железо и под действием УФ излучения происходит восстановление 3-х валентного железа в двухвалентное, которое поглощает на длине волны 1,06 мкм, т.е. в диапазоне рабочей длины волны неодимового лазера. В результате происходит снижение генерационных характеристик («старение» материала).

Немаловажную роль играют значения нелинейных показателей преломления n₂, от величины которых зависит характер эволюции лазерного пучка, проходящего через активную среду усилителя. Чем меньше величина этого параметра, тем меньше вероятность расфокусировки лазерного луча в результате образования «наведенной тепловой линзы», фокусное расстояние которой определяется величиной n₂ и мощностью излучения. Исследования показывают, что показатель n₂ у стекол до 4-ех раз выше, чем у кристаллов фторидов.

Известен патент на изобретение РФ №2403661, где в качестве лазерного усилителя предложено использование кристалла Ti:Al₂O₃ (Ti:сапфир).

Использованию как неодимовых стекол, так и кристаллов Ti:Al₂O₃ (Ti:сапфир) посвящен патент на изобретение РФ №2629499.

Титан - сапфировые кристаллы имеют широкую полосу излучения, а также большие поперечные сечения излучения лазерного перехода. Эти свойства в комбинации с характерными термическими, физическими и оптическими свойствами кристалла сапфира удовлетворяют требованиям выбора этого материала в качестве перспективного для активных элементов твердотельных ультракороткоимпульсных лазеров. Однако короткое время

жизни начального уровня люминесцентного состояния вызывает необходимость в накачке Ti:сапфирового лазера другими лазерами. Активированные титаном сапфировые короткоимпульсные лазеры, как правило, накачивается лазерами с длиной волны от 514 до 532 нм, например, аргоно-ионным лазером (514,5 нм) или второй гармоникой Nd:YAG, Nd:YLF, и Nd:YVO (527-532 нм), либо Nd-стеклянных лазеров, которые, в свою очередь, накачиваются импульсными лампами. Этот тип лазеров используется в основном в лабораторных экспериментах, поскольку требует стабильного и мощного лазера накачки.

Технической проблемой, решаемой изобретением является использование в качестве активных сред задающего генератора и квантового усилителя мощных короткоимпульсных фемтосекундного диапазона лазерных систем кристаллического материала одного химического класса и структурного типа - простых и разупорядоченных соединений фторидов со структурой флюорита.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы лазерной системы и уменьшение вероятности образования «тепловой линзы» в ней.

Для достижения технического результата предложен кристаллический материал на основе флюоритоподобных систем для CPA-лазеров, состоящий из изоструктурных аналогов флюоритового типа, в котором в качестве изоструктурных аналогов флюоритового типа используются вещества, выбранные из группы CaF₂, YF₃, YbF₃ и NdF₃.

Кроме того, кристаллический материал задающего генератора фемтосекундных импульсов CPA-лазера состоит из фторида кальция, активированного трехвалентными ионами иттербия CaF₂:Yb³⁺, причем концентрация ионов иттербия в кристалле составляет от 3% до 6%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия CaF₂-YF₃:Yb³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 2% до 7%, а концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного неодима CaF₂-YF₃:Nd³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 1% до 4%, а концентрация ионов неодима составляет от 1,5% до 3%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия и дополнительно в качестве содопанта активирован ионами трехвалентного неодима CaF₂-YF₃:Yb³⁺+Nd³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 3% до 8%, концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%, а концентрация ионов неодима составляет от 1% до 3%.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана зависимость длительности лазерного импульса от спектральной полуширины.

На фиг. 2 показан спектр люминесценции Nd в фосфатном стекле (Δν~22,5 нм).

На фиг. 3 показан спектр поглощения и люминесценции (штриховая линия) Yb в силикатном стекле (Δν~55 нм).

На фиг. 4 показаны спектры люминесценции ионов Yb³⁺ в кристаллах CaF₂ и CaF₂-YbF₃.

На фиг. 5 показаны спектры люминесценции ионов Nd³⁺ в кристаллах CaF₂ (A), CaF₂-YF₃ (В) и стекле КГСС-7 (С).

На фиг. 6 показаны спектры люминесценции концентрационной серии ионов Yb³⁺ в кристаллах CaF₂ при 77К: а - 0,3; b - 1,0 и с - 10 вес. %.

На фиг. 7 показан фрагмент комбинированного спектра люминесценции ионов Yb³⁺ и Nd³⁺ в разупорядоченном кристалле CaF₂-YF₃.

На фиг. 8 показана принципиальная схема работы CPA-лазера.

Осуществление изобретения

Кристаллический материал, легированный иттербием, обладает самой высокой квантовой эффективностью (>90%) среди коммерческих продуктов для лазеров. Кристаллы CaF₂:Yb³⁺ обладают более широким спектром излучения по сравнению с YAG:Yb. Это свойство наиболее важно для генерации и усиления сверхкоротких импульсов. Кристалл-матрица CaF₂ обладает более высокой теплопроводностью и меньшим значением показателя n₂, чем стекло, что делает эффект появления «тепловой линзы» очень малым. Эти кристаллы также можно легировать ионами иттербия до высоких концентраций.

При решении задачи создания мощных технологических лазерных систем, генерирующих сверхкороткие световые импульсы, особую перспективность представляют кристаллы настоящего изобретения, активированные ионами иттербия такие, как простые с упорядоченной структурой CaF₂:Yb³⁺ в качестве задающего генератора и смешанные с разупорядоченной структурой CaF₂-YF₃:Yb³⁺ в качестве усилителей. В отличие от неодимовых лазерных сред на кристаллах и стеклах, иттербиевые среды независимо от структурной упорядоченности кристаллической матрицы превосходят последние по ширинам линий излучения и лучше подходят для создания сверхкоротких импульсов. В качестве примера упорядоченных кристаллических сред с однородным уширением спектральных линий, в Таблице 1 приводятся спектрально-лазерные характеристики кристаллов иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Nd³⁺ и Yb³⁺ (A.A. Каминский, С.Э. Саркисов. «Физика и спектроскопия лазерных кристаллов / М., Наука, 1986, с. 282). Ширины линий Yb³⁺ до 10 раз превышают аналогичное значение для Nd³⁺.

Для случая сред с неоднородным уширением спектральных полос, на фиг. 2 и 3 показаны спектры люминесценции ионов Nd³⁺ в фосфатном стекле и ионов Yb³⁺ с максимумом на 1035 нм в силикатном стекле. Анализ спектров показывает, что ширина полосы излучения Yb³⁺ на фиг. 3 до 2-х раз больше, чем у Nd³⁺ (фиг. 2).

На фиг. 4 приведены спектры люминесценции простого с упорядоченной структурой кристалла CaF₂:ат.3% Yb³⁺ (кривая А) и ат.3%Yb³⁺ в разупорядоченных кристаллах твердых растворов CaF₂-YF₃ с концентрацией YF₃=ат.3% (кривая В) и YF₃=ат.6% (кривая С). Влияние разупорядочения кристаллической структуры на неоднородность уширения спектральных линий показано на фиг. 5, где представлены спектры люминесценции ионов Nd³⁺ на основном лазерном переходе ⁴F_3/2→⁴I_11/2 при 300К в простом кристалле CaF₂ (а), кристаллическом твердом растворе CaF₂-YF₃ (b) и лазерном неодимовом стекле марки КГСС-7 (с). Неоднородно уширенная полоса люминесценции смешанного кристалла иттрофлюорита CaF₂-YF₃:Nd³⁺ равна ~35 нм, а у стекла меньше ~25 нм.

Кристаллические твердые растворы CaF₂-YF₃:Yb³⁺ также имеют более широкие полосы излучения и поглощения (обеспечивает более эффективную оптическую накачку) и большие значения τ_люм по сравнению с простыми упорядоченными кристаллами CaF₂:Yb³⁺. Спектры кристаллов флюорита, активированные редкоземельными ионами, и в частности, ионами Yb³⁺ характеризуются наличием оптических центров, состав и относительное число которых меняются в зависимости от концентрации ионов активатора. При малых концентрациях редкоземельной примеси образуется небольшое количество центров, значительно отличающихся по структуре, так что возникает большая разница в их оптических свойствах. С увеличением концентрации растет количество центров, имеющих отличающиеся структуры, но разница между структурами значительно уменьшается. В результате при высоких концентрациях ионов активатора линии поглощения и люминесценции различных редкоземельных центров группируются около энергетических уровней, которые определяются средними значениями кристаллического поля, действующего на примесные ионы. Структуры оптических спектров от концентрации более не меняются и число штарковских компонент соответствуют возможному максимуму для данного среднего значения кристаллического поля. В качестве иллюстрации к сказанному, на фиг. 6 показаны спектры люминесценции на переходе ⁴F_5/2→⁴F_7/2 при 77К концентрационной серии кристаллов CaF₂ с ионами Yb³⁺: a-0,3%Yb; b-1,0%Yb; c-10%Yb. Видно, что в отличии от концентрации 0,3%, при 10% Yb³⁺ спектральные полосы утрачивают разрешение на отдельные штарковские компоненты.

Добавление YF₃ в состав простого кристалла CaF₂:Yb³⁺ вносит разупорядочение в кристаллическую решетку последнего, модифицирует локальное кристаллическое поле вокруг ионов Yb³⁺ таким образом, что с увеличением их концентрации вероятность образования центров тушения люминесценции ионов Yb³⁺ резко падает по сравнению с простыми упорядоченными кристаллами структурных аналогов. Последнее важно для получения эффективных мощностных выходных лазерных параметров. Поэтому разупорядоченные кристаллы твердых растворов CaF₂-YF₃:Yb³⁺ являются более перспективными по сравнению с CaF₂:Yb³⁺ в качестве материала оптического усилителя. Кристаллы CaF₂:Yb³⁺ обладают всеми необходимыми свойствами и спектроскопическими параметрами для использования в качестве задающего короткоимпульсного лазерного генератора в системах с усилителями на кристаллах CaF₂-YF₃:Yb³⁺ и CaF₂-YF₃:Nd³⁺.

Активные элементы усилителей на основе разупорядоченных кристаллов со структурой флюорита CaF₂-YF₃:Yb³⁺ и CaF₂-YF₃:Nd³⁺ больших объемов и апертур смогут обеспечить высокий уровень запасенной энергии, позволят работать при интенсивности лазерного излучения ниже порога оптического пробоя вплоть до энергий петаваттного уровня в импульсах фемтосекундной длительности. Возможность получения фемтосекундных импульсов была продемонстрирована в (Z.P. Qin, G.Q. Xie, J. Ma, W.Y. Ge, P. Yuan, L.J. Qian, L.B. Su, D.P. Jiang, F.K. Ma, Q. Zhang, Y.X. Cao, J. Xu Opt. Lett., 39 (2014), p. 1737) для лазера на кристалле CaYF₅:Nd с длительностью импульса 103 фс при работе в режиме пассивной синхронизации мод. Этот результат доказывает, что разупорядоченные кристаллы со структурой флюорита являются отличными матрицами для создания короткоимпульсных мощных лазерных систем. Основной вопрос связан с возможностью получения крупных монокристаллов иттрофлюорита с оптимальным содержанием компонент YF₃, YbF₃ и NdF₃, которые должны обеспечить для усилительных элементов достаточно высокие значения теплопроводности, усилительных характеристик и уровня запасенной энергии. Наиболее перспективными для указанных целей могут стать кристаллы CaYF₅:Nd³⁺, синтезируемые в системе твердого раствора состава CaF₂ - 1,5-2% YF₃ - 2-3% NdF₃ и CaYF₅:Yb³⁺ в системе CaF₂-3-6%YF₃-2-5%YbF₃. Это позволит сохранить у усилительного элемента величину теплопроводности более 6 раз выше и до 4 раз ниже по n₂, чем у фосфатного неодимового стекла и при этом создать активную среду с не уступающими спектрально-лазерными характеристиками. Мощные лазерные системы с усилителями на разупорядоченных кристаллах иттрофлюорита с неодимом и иттербием могут работать, используя в качестве задающих генераторов кристаллы CaF₂:Yb³⁺ или YLF:Nd, который используется в лазерных системах с усилителями на фосфатных стеклах.

Предшествующие попытки расширения полос излучения в комбинированных мощных неодимовых лазерных системах с использованием задающего генератора на кристалле и усилителя на стекле были сфокусированы на модифицировании структуры исходного стекла. Настоящее изобретение базируется на использовании в активных усилительных средах редкоземельных активирующих добавок, взаимодействия между которыми в результате механизмов передачи энергии влияют на ширину полосы излучения. В соответствии с данным изобретением, исходное фторсодержащее кристаллическое вещество лазерного усилителя CaF₂-YF₃ активируется редкоземельными соединениями, в типичном случае NdF₃ в комбинации с YbF₃. Получаемые в результате полосы излучения оказываются намного более широкими, чем достигаемые в настоящее время с единственной активирующей добавкой в исходном простом или разупорядоченном кристаллах. На фиг. 7 показан фрагмент комбинированного спектра люминесценции (Yb+Nd) разупорядоченного кристалла твердого раствора состава CaF₂-5%YF₃-4%YbF₃-2%NdF₃ при 300К с эффективной шириной полосы излучения ~ до 80 нм.

Таким образом, использование фторидных кристаллов таких как CaF₂:Yb³⁺ в качестве задающего генератора и CaF₂-YF₃:Yb³⁺, CaF₂-YF₃:Nd³⁺ или CaF₂-YF₃:Nd³⁺+Yb³⁺ в качестве усилителей, позволяет принимать намного более простые конструктивные решения для лазеров, поскольку эти лазерные кристаллы могут напрямую накачиваться импульсными лампами. В отличие от лазеров, применяющих кристаллы Ti:сапфир, технология с кристаллами Yb:фторидов не требует дополнительного использования лазеров для накачки. Благодаря большим величинам люминесцентного времени жизни метастабильных уровней и полуширинам полос поглощения и излучения фториды с иттербием смогут обеспечить высокий уровень запасенной энергии и представляют интерес в прикладном плане по генерации сверхмощных оптических импульсов.

Кроме того, использование кристаллических материалов на основе флюоритоподобных систем обладающих улучшенными теплофизическими и механическими характеристиками за счет широких неоднородно уширенных спектров поглощения и люминесценции в CPA-лазерах, дает ряд преимуществ по сравнению с монокристаллами с регулярной кристаллической решеткой, а именно:

дает возможность перестройки частоты генерации в пределах неоднородно уширенной линии, ширина которой может достигать десятков нанометров;

дает возможность получения ультракоротких импульсов.

Изобретение относится к кристаллам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, а именно в CPA-лазерах (от английских слов “chirp pulse amplification” – “усиление чирпированного импульса”) - короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. Кристаллический материал на основе флюоритоподобных систем для CPA-лазеров состоит из изоструктурных аналогов флюоритового типа, в котором в качестве изоструктурных аналогов флюоритового типа используются вещества, выбранные из группы CaF2, YF3, YbF3 и NdF3. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности работы лазерной системы и уменьшения вероятности возникновения “тепловой линзы”. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

1. Кристаллический материал на основе флюоритоподобных систем для CPA-лазеров, состоящий из изоструктурных аналогов флюоритового типа, в котором в качестве изоструктурных аналогов флюоритового типа используются вещества, выбранные из группы CaF₂, YF₃, YbF₃ и NdF₃.

2. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал задающего генератора фемтосекундных импульсов CPA-лазера состоит из фторида кальция, активированного трехвалентными ионами иттербия CaF₂:Yb³⁺, причем концентрация ионов иттербия в кристалле составляет от 3% до 6%.

3. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия CaF₂-YF₃:Yb³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 2% до 7%, а концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%.

4. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного неодима CaF₂-YF₃:Nd³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 1% до 4%, а концентрация ионов неодима составляет от 1,5% до 3%.

5. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия и дополнительно в качестве содопанта активирован ионами трехвалентного неодима CaF₂-YF₃:Yb³⁺+Nd³⁺, причем концентрация фторида иттрия составляет от 3% до 8%, концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%, а концентрация ионов неодима составляет от 1% до 3%.