МАТЕРИАЛ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРОВ, ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ И АПОДИЗИРУЮЩИХ ДИАФРАГМ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, к активным средам оптических квантовых устройств, и может быть использовано при изготовлении активных элементов для плавно перестраиваемых по частоте оптических квантовых генераторов (ОКГ) и усилителей (ОКУ) инфракрасного и видимого диапазонов, пассивных лазерных затворов (ПЛЗ) и устройств, предназначенных для регулирования пространственного распределения интенсивности лазерного излучения аподизирующих диафрагм.

Известны материалы для элементов лазеров на основе монокристаллов фторида лития с F₂⁺ -центрами окраски, позволяющими осуществлять плавную перестройку частоты лазерного излучения в пределах 0,83-1,1 мкм; для создания активных элементов с F₂^- -центрами окраски, позволяющими осуществлять перестройку рабочей частоты лазера в пределах 1,1-1,26 мкм; для создания активных элементов с F₂-центрами окраски с перестройкой рабочей частоты в пределах 0,67-0,75 мкм.

Кроме того, известны материалы, которые используются для пассивной модуляции добротности резонатора лазера с достижением эффекта аподизации.

Известные активные среды обладают следующими недостатками.

F₂^+- -центры, создаваемые в таких средах, неустойчивы при комнатной температуре и разрушаются вследствие диффузионных процессов.

F₂-центры неустойчивы оптически. Они разрушаются в процессе работы под действием излучения накачки вследствие двухступенчатой ионизации.

Наиболее близким к предлагаемому является материал для активных элементов лазеров, пассивных лазерных затворов и аподизирующих диафрагм на основе монокристалла LiF с центрами окраски, содержащего ионы гидроксила (ОН^-).

Недостатками таких средств являются следующие.

Низкая концентрация О^-- F₂⁺ -центров, ограниченная концентрацией ионов гидроксила, участвующих в их образовании.

F₂-центры в таких средах также оптически неустойчивы. Кроме того, в присутствии примеси ОН^- под действием ионизирующего излучения образуются атомы водорода, являющиеся эффективными ловушками электронов, освобождающихся при ионизации F₂-центров, что дополнительно понижает оптическую устойчивость F₂-центров.

Вследствие наличия электронных ловушек понижается также эффективность образования F₂^--центров. В связи с этим для достижения оптимальной концентрации F₂^- -центров необходимы высокие дозы облучения, что ведет к возникновению других центров окраски, например F₃^-, коллоидальных, которые понижают эффективность работы лазеров и пассивных лазерных затворов.

Цель изобретения повышение КПД лазера при комнатной температуре.

Цель достигается тем, что материал для активных элементов лазеров, пассивных лазерных затворов и аподизирующих диафграм на основе монокристалла LiF с центрами окраски, содержащего ионы гидроксила ОН^-, дополнительно содержит примесь кислорода О^-- при следующем соотношении ингредиентов, мол. ОН^- 10^-1-1 О^-- 10^-3-10^-2 LiF Остальное
В результате проведенного исследования было установлено следующее.

1. В кристаллах фторида лития, содержащего ионы кислорода и гидроксила, концентрация стабильных при комнатной температуре О^--F₂⁺ -центров увеличивается по сравнению с кристаллами фторида лития, содержащего только ионы гидроксила.

Увеличение концентрации О^--F₂⁺ -центров связано с тем, что ОН^--ионы и О^--, входящие в решетку фторида лития, являются источниками анионных вакансий, образующихся под действием ионизирующего излучения и необходимых для образования F-агрегатных центров.

2(OH^-) ____→ O-2

+ e + ν+a + 2Hoi (1)
2(O^---ν+a) ___→ O-2+ 3e + 3 ν+a (2)
В кристаллах фторида лития, содержащих только примесь ОН^-, под действием ионизирующего излучения образование анионных вакансий идет только за счет реакции (1). В случае же LiF-О, ОН^- образование анионных вакансий идет за счет двух процессов, что ведет к повышению концентрации рабочих центров окраски. Кроме того, в присутствии двух типов примеси повышается концентрация О^-- -ионов, осуществляющих термическую стабилизацию F₂⁺ -центров. Все это и обуславливает значительное по сравнению с LiF-ОН- повышение концентрации F₂⁺-центров.

В кристаллах LiF-О, ОН повышается эффективность образования О^--F₂⁺ -центров окраски. Для достижения оптимальной концентрации рабочих центров требуется меньшая доза ионизирующего излучения, а следовательно, меньше концентрация сопутствующих "паразитных" центров и меньше потери в работающем элементе.

2. В кристаллах фторида лития, содержащего ионы кислорода и гидроксила, при радиационном преобразовании кислородных центров возникает дополнительная концентрация электронов, необходимых для образования F₂^- -центров. Эти дополнительные электроды не захватываются стабилизированными F₂⁺ -центрами, поскольку сродство к электрону F₂⁺ снижено присутствием в их ближайшем окружении ионов кислорода. Наличие в кристалле примеси кислорода повышает эффективность образования F₂^- -центров. В связи с этим в таких образцах оптимальная концентрация F₂^--центров достигается при относительно невысоких дозах облучения, что также снижает потери на "паразитных" центрах.

3. В кристаллах LiF-O, ОН образуются F₂-центры. Оптическая устойчивость этих центров связана с присутствием в кристалле электронных ловушек. В кристалле LiF, выращенном в вакууме, всегда присутствует определенная концентрация металлической примеси, которая трудно поддается очистке вследствие близости ионных радиусов Me⁺⁺ и Li⁺. Присутствие металлической примеси и создает электронные ловушки, которые обеспечивают оптическую ионизацию F₂-центров.

В LiF-O, OH вследствие присутствия кислородной примеси примесь металла, вступая в реакцию с ней, образует комплексы типа Mg⁺⁺OH^-OH^-V^- с и Mg⁺⁺O^- и тем самым исключается из процесса, ведущего к разрушению F₂-центров.

П р и м е р. Были получены два типа материалов на основе LiF. Первый тип LiF-OH. Характерным признаком присутствия группы ОН^- является наличие в спектре ИК-поглощения полосы локальных колебаний ОН^- ν_макс 3720 см^-1. Второй тип LiF-O, OH^-. Характерным признаком присутствия примеси кислорода является наличие в спектре ультрафиолетового поглощения полос в области 200-500 нм.

Для образования рабочих центров кристаллы были облучены γ-излучением радиоактивного кобальта ⁶⁰Со. Доза облучения составляла 10⁷ Р для F₂ и F₂⁺ -центров и 10⁸ Р для F₂^- -центров. В таблице приведены результаты измерений.

Как следует из таблицы, в кристаллах, содержащих кислородные центры и ионы гидроксила, повышается концентрация как положительно заряженных стабильных при комнатной температуре О^--F₂⁺ -центров, так и F₂^- -центров и F₂-центров. Отсутствие в решетке кристалла одной из соактивирующих примесей приводит к уменьшению концентрации всех типов рабочих центров.

Полученные материалы были использованы для изготовления активных элементов (АЭ) и пассивных лазерных затворов (ПЛЗ). АЭ представляли собой параллелепипеды размером 40х10х10 мм, торцовые поверхности которых отполированы. АЭ из фторида лития помещали в резонатор, образованный диэлектрическими зеркалами с коэффициентами отражения R₁ 99,9% и R₂ 65% Оптическую накачку активной среды осуществляли излучением рубинового лазера с длиной волны генерации 0,694 нм. Энергию импульса лазера на фториде лития измеряли ИКТМ-1М.

При энергии накачки Е 0,4 Дж выходная энергия лазера с активной средой I типа составляла 1,6˙10^-2 Дж. КПД преобразования лазера 4% При энергии накачки Е 0,4 Дж выходная энергия лазера с активной средой II типа составляла 5˙10^-2 Дж. КПД лазера с такой активной средой 12% что в 3 раза выше, чем для известной активной среды на основе LiF-OH^-.

Аналогичные испытания проведены на F₂ и F₂^- -центрах. Получено увеличение КПД преобразования энергии накачки лазера с материалов по изобретению в 2-3 раза по сравнению с известным материалом.

Изготовленные на основе предлагаемого материала ПЛЗ использовались для модуляции добротности лазера на алюмоиттриевом гранате с Nd³⁺ (λ генерации 1,06 мкм) как в режиме одиночных импульсов, так и с частотой повторения 100 Гц. Энергия излучения лазера в режиме свободной генерации составляет 150˙10^-3 Дж, с модулятором добротности из активной среды I типа F₂^- -центрами составляла 60˙10^-3 Дж, с модулятором добротности из активной среды II типа F₂^- -центрами 80˙10^-3 Дж.

Было изготовлено несколько диафрагм из предлагаемого материала, которые удовлетворяли требованиям, предъявляемым к таким устройствам, а именно: устраняли дифракционные кольца, повышали яркость излучения лазера. Аподизирующие диафрагмы были изготовлены также на основе активной среды LiF без специального легирования примесями и LiF-OH.

Все изготовленные диафрагмы обладали требуемыми свойствами, т.е. уменьшали угловую расходимость лазерного луча и повышали яркость. Необходимый профиль создавали либо за счет создания центров окраски пучком электронов, либо за счет частичного разрушения центров окраски световым излучением.

Таким образом, достигнуто повышение КПД преобразования при генерации лазерного излучения и при пассивной модуляции добротности резонатора.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРОВ, ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ И АПОДИЗИРУЮЩИХ ДИАФРАГМ на основе монокристалла LiF с центрами окраски, содержащего ионы гидроксила OH^-, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД лазера при комнатной температуре, он дополнительно содержит примесь кислорода О^-- при следующем соотношении ингредиентов, мол.

ОН^- 10^-1 1
О^-- 10^-3 10^-2
LiF Остальное