СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, к способам изготовления сред для лазерных элементов и может быть использовано при создании активных элементов перестраиваемых по частоте лазеров, а также нелинейных насыщающихся фильтров для пассивной синхронизации мод, модуляции добротности, развязки усилительных каскадов, обращения волнового фронта и аподизации.

Известен способ изготовления лазерной среды на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в облучении монокристалла γ-излучением при температуре от +50 до +100^оС дозой 4 ˙ 10⁷ Р. Лазерные элементы не могут эффективно работать в качестве нелинейных насыщающихся фильтров для излучения неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм, так как образуется малая концентрация рабочих F₂^-центров окраски и высокий коэффициент остаточного поглощения (К_н).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления лазерной среды на основе монокристалла фторида лития с F₂^-центрами окраски, включающий облучение его ионизирующим излучением. Недостатком этого способа является также высокий коэффициент остаточного поглощения.

Целью настоящего изобретения является увеличение концентрации F₂^-центров окраски.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления лазерной среды для активных элементов и пассивных затворов на основе монокристалла фторида лития с F₂^-центрами окраски, включающем облучение его ионизирующим излучением, монокристалл облучают дозой (0,02-1)˙ 10⁹Р при поддержании темпеpатуры кристалла -25 до +25^оС.

Известно, что остаточное поглощение вещества существенно ухудшает параметры лазеров при использовании его в качестве активной среды, фильтров для развязки усилительных каскадов и других элементов. Поясним подробнее вредное влияние остаточного поглощения на примере пассивных затворов.

Свойства большинства лазеров с пассивными затворами с хорошей точностью можно описать с помощью решений, полученных для лазера с мгновенным выключением потерь. При этом выражение для удельной энергии моноимпульса E имеет вид:
E h νσ^-1 K_rK_n^-1(K_o K_m), (1) где h ν энергия кванта лазерного перехода; σ поперечное сечение для вынужденных переходов в активном теле; К_r коэффициент потерь излучения на пропускание зеркал; К_n коэффициент потерь излучения после открывания затвора; К_о начальный коэффициент усиления в активном теле; К_m коэффициент усиления после высвечивания моноимпульса. Величина К_m вычисляется из уравнения:
1-K_mK-o

¹= K_nK-o¹lnK_∂K-n¹ (2)
Нетрудно показать, что выражения (1-2) можно заменить простым выражением, результаты расчета по которому с точностью до 1% совпадают с (1-2) на интервале изменения К_оК_n^-1 от 1 до 6:
E hνσ^-1K_r(0,2-K_oK-n¹-1,2K_nK-∂¹) (3)
Применительно к лазерам с пассивными затворами выражение (3) можно преобразовать к виду
E hνσ^-1K0,2+ 1,2
(4) где ρ параметр вредных потерь излучения в резонаторе; l длина активного тела; D_а оптическая плотность затвора; δ D_н/D_а параметр, характеризующийся отношением оптической плотности затвора в просветленном состоянии к начальной плотности D_н.

Как следует из анализа выражения (4), увеличение δ приводит к уменьшению генерируемой энергии. Особенно сильная чувствительность Е от δ наблюдается при малых ρ + К_r.

Оценки показывают, что для успешного применения вещества при изготовлении перечисленных лазерных элементов параметр δ должен быть ≅ 0,15, так как при этом потери излучения за счет остаточного поглощения в кристалле фторида лития будут меньше или сравнимы с потерями в других элементах лазера.

В результате исследований установлено, что в процессе облучения кристаллов ионизирующим излучением происходит их сильный радиационный разогрев. При облучении электронами температура кристалла в области взаимодействия с электронами достигает +100 до + 200^оС. При облучении γ-излучением температура кристалла, в зависимости от мощности γ-источника, может достигать +30 до +100^оС.

Облучение монокристаллов LiF при температуре выше плюс 25^оС приводит к образованию не известных ранее х-центров окраски с максимумом полосы поглощения на длине волны 1,2 мкм и полушириной 0,2 эВ.

На фиг. 1 изображен спектр поглощения монокристалла LiF с дозой облучения 10⁸ Р; на фиг. 2 с дозой облучения 0,16 ˙ 10⁹ Р.

На фигуре 1 (кривая 1) изображен спектр поглощения монокристалла фторида лития, облученного дозой до 10⁸ рентген при температуре выше 25^оС. Кроме рабочих F₂^-центров окраски при таких условиях облучения наводятся х-центры окраски. Спектр поглощения измерен при температуре жидкого азота. При этой температуре наблюдается сужение полос поглощения F₂^- и х-центров и более четкое их разделение. Повышение температуры до плюс 150^оС приводит к значительной скорости роста этой х-полосы.

Х-полоса почти полностью находится под полосой люминесценции F₂^-центров окраски в LiF (см. кривую 2 на фиг 1) и поэтому, вызывая неактивные потери энергии излучения лазера на F₂^-центрах окраски, приводит к снижению его КПД и мощности. Коротковолновый край х-полосы простирается за область основного перехода неодимовых лазеров (длина волны 1,06 мкм), что вызывает потери энергии излучения этих лазеров при использовании монокристаллов LiF с F₂^-центрами окраски в качестве активных элементов лазеров. Кроме того, облучение кристалла при повышенных температурах приводит к разрушению рабочих F₂^-центров окраски. Поэтому кристалл должен облучаться при температуре не выше плюс 25^оС. Это должно достигаться путем принудительного охлаждения кристалла или уменьшением мощности ионизирующего излучения до величины, исключающей радиационный разогрев выше плюс 25^оС.

С другой стороны, кристалл должен облучаться при температуре не ниже минус 25^оС. Это обусловлено тем, что анионные вакансии (V_a) в LiF становятся в достаточной степени подвижными при этой температуре. В результате диффузии анионные вакансии объединяются с F-центрами, образуя F₂⁺-центры.

Далее, в поле ионизирующего излучения следует реакция двухэлектронного захвата F₂⁺-центром
F+2

+ 2 __→ F-2
Это значит, что при температурах ниже минус 25^оС не образуются F₂^-центры и облучать следует при более высоких температурах.

При достижении дозы облучения 10⁹ рентген происходит насыщение в накоплении F₂^-центров окраски и дальнейшее облучение приводит к увеличению концент- рации х-центров и уменьшению F₂^-центров окраски.

С другой стороны, если доза облучения меньше, чем 2 ˙ 10⁷ рентген, то концентрация F₂^-центров окраски будет невелика, так что величина параметра δ являющегося критерием качества вещества лазерного элемента, будет больше требуемой величины.

На фиг. 2 приведен спектр поглощения монокристалла фторида лития, облученного дозой 0,16 ˙ 10⁹ Р при температуре +15^оС. Из фигуры видно, что при таких условиях облучения х-центры не образуются, а концентрация F₂^-центров достигается высокой. Спектр поглощения измерен также при температуре жидкого азота. Следует заметить, что при комнатной температуре поглощение F₂^-центров на λ 1,06 мкм существенно больше, чем при температуре жидкого азота.

Пример. Кристаллы LiF размером 20 х 20х х 40 мм помещали в камеру, через которую прокачивали пары жидкого азота. Камеру с кристаллом помещали в установку Со⁶⁰, создающую поток γ-излучения мощностью 150 Кюри. При облучении в течение 300 ч кристаллы получали дозу 1,62 ˙ 10⁸рентген. Такая мощность облучения и скорость продувания паров жидкого азота 0,1 л/мин обеспечивали поддержание температуры кристалла постоянной. Аналогичные образцы LiF облучали по базовому способу без поддержания температуры.

Проведены испытания лазерных сред, изготовленных по базовой и предложенной методике. Общее количество кристаллов, на которых проводились испытания, было 7 штук. При испытании определялись коэффициенты остаточного К_н и начального Д_а поглощения на длине волны 1,06 мкм. Методика измерений остаточного поглощения основана на определении пропускания образцов при просвечивании их излучением моноимпульсного лазера на гранате. Коэффициент начального поглощения измерялся с помощью спектрофотометра. В таблице приведены параметры кристаллов, изготовленных по базовой и предложенной методике.

Как было указано выше, практическим критерием качества среды для лазерных элементов является величина параметра δ характеризующего остаточное поглощение. Из таблицы видно, что параметр δ для сред, изготовленных предложенным способом, по крайней мере в 1,5 раза меньше, чем базовым.

Использование предложенного способа изготовления лазерных сред для активных элементов и пассивных затворов обеспечивает по сравнению с существующими способами возможность создания более высоких концентраций рабочих F₂^-центров окраски в лазерном элементе, а следовательно, уменьшение его габаритов с малыми значениями коэффициента остаточных потерь. Применение лазерных элементов, изготовленных из среды по предложенному способу, обеспечивает высокую энергетику излучения неодимовых лазеров и лазеров на F₂^-центрах окраски.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ на основе монокристалла фторида лития с F-2

центрами окраски, включающий облучение его ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью увеличения концентраций F-2 центров окраски, монокристалл облучают дозой (0,02 1) 10⁹. Рентген при поддержании температуры кристалла -25 +25^oС.