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

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технологии изготовления оптических элементов, служащих для генерации перестраиваемого по частоте излучения и для управления пространственно-временными характеристиками излучения лазеров.

Изобретение может быть использовано при изготовлении активных элементов (АЭ) пассивных лазерных затворов (ПЛЗ), насыщающихся фильтров для синхронизации мод лазеров, элементов для развязки усилительных каскадов лазерных систем.

Известен способ изготовления активного элемента на основе кристалла LiF, содержащего ионы гидроксила для повышения термической стабильности рабочих F₂⁺ -центров, заключающийся в том, что кристалл LiF облучают при комнатной температуре до дозы 10⁷ Р.

Недостатком этого способа является малая концентрация стабильных рабочих F₂⁺ -центров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления материала для активных элементов и пассивных затворов лазеров на основе монокристалла фтористого лития, содержащего ионы гидроксила, включающий облучение монокристалла ионизирующим излучение.

К недостаткам этого способа следует отнести значительную величину неактивных потерь, обусловленных сложными агрегатными центрами типа F₃, F₄, полосы поглощения которых в LiF перекрываются с полосой поглощения F₂⁺ -центров. Такие сложные агрегатные центры образуются за счет возрастания подвижности анионных вакансий в процессе облучения при повышенной температуре. Другим недостатком способа является то, что часть ионов гидроксила или продуктов их радиолиза связывается этими сложными агрегатными центрами. Об этом говорит тот факт, что в кристаллах LiF-OH концентрация F₄-центров выше, чем в чистых LiF.

Указанные эффекты приводят к уменьшению концентрации F₂⁺-центров, снижению КПД и увеличению остаточных потерь АЭ и ПЛЗ на основе LiF-OH с F₂⁺ -центрами.

Цель изобретения повышение КПД генерации и эффективности модуляции лазеров.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления материала для активных элементов и пассивных затворов лазеров на основе монокристалла фтористого лития, содержащего ионы гидроксила, включающем облучение монокристалла ионизирующим излучением, облучение производят при температуре от -195^оС до -40^оС дозой в интервале от 10⁸ до 10⁹ Р.

Параметром, характеризующим преобразование энергии накачки в энергию генерации АЭ, является отношение величины поглощенной энергии Е_пв активном элементе к энергии генерации Е_г, т.е. КПД лазера. Как известно, основной причиной, приводящей к снижению КПД генерации лазера, является наличие неактивных потерь на длине волны генерации или в спектральной области накачки. Тогда величина поглощенной энергии будет складываться из энергии, необходимой для создания инверсии населенности в активных центрах Е_а, и из энергии, поглощенной неактивными центрами Е_н, в которых не происходит инверсии населенности. Поскольку КПД определяется как Е_г/Е_а + Е_н, снижение Е_н приведет к увеличению этого соотношения.

Поглощенная Е_н идет на разогрев кристалла или высвечивается в виде люминесценции. Наличие неактивных потерь в кристаллах с центрами окраски прежде всего обусловлено присутствием набора центров, поглощающих на длине волны накачки. Такими центрами в случае АЭ и ПЛЗ на основе LiF OH (F₂⁺) являются F₃^- и F₄^- -центры, представляющие собой агрегаты из трех или четырех F-центров. Образование этих центров происходит по механизму, включающему миграцию анионных вакансий V_а⁺ и захват электронов:
F₂+V+a

+ e^- __→ F₃; F₃+ V+a+ e^-__→ F₄
Снижения концентрации сложных агрегатных центров можно добиться путем исключения одной из составляющих механизмов их образования, а именно путем исключения процесса миграции анионных вакансий. Процесс миграции V_a⁺ прекращается в LiF при температуре ниже -40^оС, следовательно, облучение LiF при температурах ниже -40^оС приводит к снижению эффективности образования F₃^- и F₄^- -центров.

Другой причиной возникновения неактивных потерь является неоднородность кристаллической матрицы и наличие микровключений, рассеивающих излучение. Это в большей степени свойственно активированным кристаллам. Снизить потери, связанные с этим, можно путем уменьшения эффективной длины кристалла, что достигается путем увеличения концентрации рабочих центров.

Для повышения КПД генерации лазера необходимо также максимально снизить потери в спектральной области генерации. В LiF (F₂⁺) в спектральной области генерации могут поглощать F₂^- -центры, эффективность образования которых зависит от температуры и дозы облучения. F₂^- -центры практически не образуются, если облучение производится в интервале температур, при которых не происходит миграции анионных вакансий, т.е. ниже -40^оС.

Характеристикой работы ПЛЗ в качестве модулятора добротности резонатора твердотельного лазера может служить эффективность модуляции η, равная отношению энергии моноимпульса Е_и к энергии излученной в режиме свободной генерации Е_св при одинаковых параметрах резонатора и энергии накачки η= Е_п˙Е_св. Энергия, равная Е_п Е_св Е_и, так же как в АЭ, затрачивается на создание инверсии в F₂⁺ -центрах, т.е. на просветление ПЛЗ и на поглощение неактивными центрами.

Таким образом, для улучшения параметров как АЭ, так и ПЛЗ необходимо снижать поглощение реактивными центрами К_н и повышать поглощение активными центрами К_а. Понижением температуры облучения LiF OH мы добиваемся как снижения К_н на длине волны излучения накачки и генерации, так и увеличения К_а.

Физико-химические процессы, приводящие к увеличению К_а, могут быть следующими. По механизму, предложенному в прототипе стабилизация F₂⁺-центров, приводящая к их термической и оптической стабильности до Т 400 К, осуществляется за счет О^--, в реализуемых в процессе радиолиза ОН^- при облучения LiF OH ионизирующей радиацией:
OH^- O^- + Hoi

O^-+ e^- +V+a O^--+ V+a
O^--+V+a+F O^-- + F+2
В результате образуется дефект типа F₂⁺0^--. В процессе облучения при температуре ниже -40^оС образование такого дефекта возможно по следующему механизму. Как известно, при T < -40^оС в процессе облучения в щелочно-галоидных кристаллах образуются дырочные центры, представляющие собой молекулу х₂^-, где х атом галоида. В кристаллах LiF OH возможно замещение иона галоида F^- ионом кислорода 0^-- с образование FO^--, термическая стабильность которых может быть выше, чем стабильность F₂^-. При нагревании LiF- OH после облучения при Т< -40^оС до температуры Т> -40^оС происходит диффузия центров FO^-- к F₂-центрам, которые отдают свой электрон атому фтора, образуя F₂⁺0^--:
F₂+FO^-- F+2O^--+ F^-
Кроме того, как указывалось выше, облучение при низкой температуре препятствует образованию сложных агрегатных центров за счет низкой подвижности анионовых вакансий. Это способствует как уменьшению потерь мощности накачки, так и увеличению свободных продуктов радиолиза ОН^-, участвующих в стабилизации F₂⁺-центров. Облучение при Т< -40^оС также не дает образования F₂^- -центров, полоса поглощения которых, перекрывающаяся с полосой излучения F₂⁺ -центров, приводит к возникновению потерь на длине волны генерации F₂⁺ -центров.

Наиболее удобно производить облучение при температуре кипения жидкого азота Т -195^оС, непосредственно помещая кристалл в дьюар с жидким азотом или обдувая его парами азота. Снижение температуры облучения ниже -195^оС нецелесообразно ввиду того, что при этом необходимо применять в качестве хладагента жидкий гелий и при этих температурах снижается эффективность образования первичных дефектов F и F₂-центров, что усложнит процесс облучения и увеличит затраты времени.

Оптимальная доза облучения должна выбираться исходя из того, что доза меньше, чем 10⁸ Р, не дает достаточной концентрации первичных радиационных дефектов при т< -40^оC и соответственно концентрации F₂⁺-центров. Доза более чем 10⁹ Р приводит к выпадению колоидов и, следовательно, к увеличению остаточных потерь за счет рассеяния на них излучения.

П р и м е р. Для выращивания монокристаллов использовалось сырье марки "ХЧ ИКК" Ленинградского завода "Красный химик". Содержание ионов гидроксила контролировалось по поглощению в области 3715-3725 см^-1. Коэффициент поглощения для выращенных кристаллов составлял α≈1 см^-1.

Облучение образцов производилось пучком электронов с энергией Е 5,6 МэВ до доз 10⁸, 5˙10⁸ и 10⁹ Р. Охлаждение кристаллов осуществлялось путем обдувания парами жидкого азота, что позволяло задавать температуру кристаллов в интервале от -195^оС до -40^оС в зависимости от скорости испарения азота.

Измерение КПД генерации производилось при накачке рубиновым лазером кристаллов, изготовленных по предлагаемому и известному способам.

Измерение эффективности модуляции η производилось при перемещении ПЛЗ на основе LiF-OH в резонатор рубинового лазера путем измерения энергии моноимпульса и энергии в режиме свободной генерации. Полученные результаты по измерению К_а, КПД и η приведены в таблице.

Как видно из таблицы, в результате применения предлагаемого способа при изготовлении АЭ и ПЛЗ на основе LiF с F₂⁺ -центрами получено увеличение КПД генерации более чем в 4 раза и эффективности модуляции почти в 1,5 раза. Необходимо отметить, что одни и те же кристаллы могут использоваться как в качестве АЭ, так и в качестве ПЛЗ.

Увеличение концентрации стабильных F₂⁺ -центров в LiF-ОН позволило получить квазинепрерывную генерацию на этих кристаллах при накачке 2-й гармоникой лазера на гранате, поскольку небольшая длина АЭ позволила эффективно сфокусировать излучение накачки и достичь пороговой плотности мощности. Снижению порога генерации способствовало также снижение неактивных потерь за счет уменьшения поглощения сложными агрегатными центрами и F₂^- -центрами. Уменьшение эффективной длины АЭ привело также к уменьшению суммарного рассеяния на неоднородностях кристалла и экономии исходного сырья для выращивания кристалла.

Использование кристаллов LiF-OH с высокой концентрацией F₂⁺-центров в качестве ПЛЗ или насыщающихся фильтров для пассивной синхронизации мод позволит снизить порог генерации лазеров, уменьшить длительность генерируемых импульсов.

Кроме того, использование кристаллов LiF OH, изготовленных по предлагаемому способу в качестве развязок усилительных каскадов лазерных установок или элементов для обращения волнового фронта также приведет к повышению контраста и коэффициента обращения.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ ЛАЗЕРОВ на основе монокристалла фтористого лития, содержащего ионы гидроксила, включающий облучение монокристалла ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД генерации и эффективности модуляции лазеров, облучение производят при температуре от -195 до -40^oС дозой в интервале 10⁸ 10⁹Р.