СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ЛАЗЕРА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ФТОРИДА ЛИТИЯ С ЦЕНТРАМИ ОКРАСКИ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к технологии изготовления оптических элементов, служащих для генерации перестраиваемого по частоте излучения, и может быть использовано при изготовлении активных элементов лазера на основе кристалла фторида лития с F-центрами окраски.

Известен способ изготовления активного элемента на основе кристалла LiF c F₂-центрами окраски, заключающийся в облучении кристалла LiF ионизирующим излучением при комнатной температуре. Изготовленный таким способом активный элемент лазера позволяет генерировать излучение, перестраиваемое в спектральной области 0,65-0,75 мкм.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления активного элемента лазера на основе кристалла фторида лития с F₂-центрами окраски, содержащего примесь, включающий выращивание кристалла из расплава и облучение его ионизирующим излучением при комнатной температуре.

В качестве примеси используют ионы гидроксила. Перестройка генерации с помощью такого элемента достигается в спектральном диапазоне 0,83-1,1 мкм.

Общим недостатком этих способов изготовления активных элементов является узкий спектральный диапазон перестройки генерации лазера на основе известных элементов (100 нм и 270 нм соответственно), спектральный диапазон от 0,75 до 0,83 мкм остается неперекрытым.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона генерации лазера.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления активного элемента на основе кристалла фторида лития с центрами окраски, содержащего примесь, включающем выращивание кристалла из расплава и облучение его ионизирующим излучением, в расплав фторида лития вводят двухвалентные катионозамещающие примеси магния, или никеля, или кобальта при концентрации от 5˙10^-3 до 10^-1 мас. затем кристалл охлаждают до -196^оС -30^оС, облучают дозой 10⁸ Рентген с последующим отжигом его при 20^оС в течение 0,5-2 ч.

Осуществление данного способа поясняется следующим примером.

Для выращивания кристаллов на основе фторида лития используют сырье марки "ХЧ ИКК". Примеси двухвалентных металлов вводят в расплав фтористого лития в виде фторида магния, никеля или кобальта в следующих соотношениях, мас. 0,01; 0,1 или 1,0. Содержание двухвалентного металла в выращенных кристаллах определяют методом атомно-эмиссионного анализа. Для изготовления активных элементов лазера отбирают кристаллы, имеющие концентрации двухвалентных металлов, указанные в табл.1.

Кристаллы, охлажденные до (-30^оС), (-80^оС) и (-196^оС), облучают дозой 10⁸ Рентген. Затем после облучения кристаллы отжигают в течение 0,5 ч, 1 ч или 2 ч при 20^оС.

Образование F₂⁺ и F₂^-подобных центров в кристалле фторида лития в процессе облучения при температурах ниже температуры начала подвижности анионных вакансий (Т<-30^оС) можно представить следующими механизмами.

Облучение кристаллов LiF-Me⁺⁺ так же, как неактивированных кристаллов, при Т < -30^оС приводит к образованию F центров и свободных анионных вакансий V_a⁺, которые образуются при рекомбинации дырочных центров с некоторой частью F центров. Нагревание кристалла до Т>-30^оС приводит к подвижности анионных вакансий и образованию F₂⁺-центров по реакции
F+V+a

__→ F+2
В кристаллах LiF-Me⁺⁺ двухвалентные примеси встраиваются в решетку в виде диполей Me⁺⁺-V_c^-, где V_c^- катионная вакансия.

При облучении кристалла наиболее вероятно образование F центра рядом с примесно-вакансионным комплексом. F центр отдает свой электрон двухвалентному металлу, при этом образуется Мe⁺ и пара вакансий V_a⁺ и V_c^-.

При комнатной температуре вакансии двигаются и, подойдя к F центру, образуют F₂⁺ центр рядом с катионной вакансией
V+a

V-c+F __→ F+2V-c
Катионная вакансия изменяет спектральные характеристики F₂⁺-центра так, что происходит сдвиг максимумов спектров поглощения и свечения в коротковолновую область. Двухвалентный металл в данном случае обеспечивает наличие катионных вакансий. Таким образом, в кристалле с примесью Me⁺⁺ создаются невозмущенные F₂⁺ и F₂⁺-центры, возмущенные катионной вакансией. F₂⁺ и F₂⁺V_c-центры создаются сразу же в процессе облучения кристалла с примесью двухвалентного металла, если облучение производится при температуре, равной или выше температуры начала подвижности вакансий (-30^оС). Однако при таком способе облучения наряду с рабочими F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центрами создаются "паразитные" агрегатные F-центры, полосы поглощения которых перекрываются с полосами поглощения и излучения F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центров. За счет наличия таких паразитных центров уменьшается КПД и увеличивается порог генерации активного элемента.

Если же облучение ионизирущими излучением производят при температуре ниже -30^оС, то F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центры создаются только после прогрева кристалла до температуры подвижности вакансий. В этом случае требуется определенное время выдержки кристалла для накопления F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центров в большой концентрации. При комнатной температуре максимум их концентрации достигается в интервале времени от 0,5 до 2 ч, при этом концентрация "паразитных" центров на несколько порядков меньше, чем в случае облучения при температуре выше -30^оС.

Минимальная концентрация двухвалентного металла, которая необходима для создания рабочих F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центров, составляет 5˙10^-3 мас. а максимальная 10^-1 мас. Ограничение по максимуму концентрации металла связано с тем, что при высокой концентрации примесного металла образуются светорассеивающие центры, которые состоят из металлической фазы в кристалле. Эти центры ухудшают генерационные характеристики активного элемента. Концентрация F₂⁺ и F₂⁺V_c^- рабочих центров и наличие паразитных центров контролируют по спектрам поглощения и спектрам свечения.

Данные по коэффициентам поглощения (в см^-1) для кристаллов лития фтора, содержащих двухвалентные катионозамещающие примеси, приведены в табл.2, 3, 4.

Во всех случаях, как видно из таблиц 2, 3, 4, коэффициент поглощения в максимуме полосы F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центров ( λ_max=0,64 мкм и λ_max=0,55 мкм) достигает величины, достаточной для эффективного поглощения излучения накачки, и находится в пределах 3-8 см^-1. Аналогичная ситуация наблюдается и для кристаллов с содержанием примесей 5˙10^-3 мас. и 10^-1 мас. Паразитных центров по поглощению не обнаруживается.

На фиг. 1 представлены испытания активных элементов, полученных данным способом; на фиг. 2 зависимость интенсивности излучения от длины волны для кристалла LiF, содержащего ионы гидроксила; на фиг.3 зависимость интенсивности излучения от длины волны для неактивированных кристаллов LiF c F₂-центрами; на фиг. 4 зависимость интенсивности излучения от длины волны для кристаллов LiF, содержащих F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центры окраски.

Активные элементы (фиг.1) включают в себя зеркала 1,2 резонатора, дисперсионную призму 3, активный элемент 4, спектрограф 5 ИСП-51 с камерой УФ-84, электронно-оптический преобразователь 6.

Генерационные характеристики и перестройка длины волны излучения исследуют на кристаллах LiF-Mg. Для накачки используют излучение второй гармоники неодимового лазера на гранате, работающего в частотном режиме. Активный элемент, выполненный из кристалла LiF-Mg, после облучения при одной из температур, указанных выше, и соответствующем отжиге при 20^оС помещают в резонатор между зеркалом 1 и дисперсионной призмой 3.

Перестройка частоты осуществляется поворотом зеркала 2. Излучение генерации кристалла с F₂⁺V_c^-центрами попадает на входную щель спектрографа ИСП-51 с камерой УФ-84, на выходе которого помещают электронно-оптический преобразователь 6. В качестве реперных точек используют излучение Не-Ne лазера λ₁=0,632 и λ₂=1,15 мкм. Перестройка длины волны генерации достигается в пределах полос люминесценции F₂⁺V_c^-и F₂⁺-центров 0,75-1,1 мкм. Таким образом, применение данного способа позволяет изготовлять активные элементы лазера на основе фтористого лития с F-центрами окраски, с помощью которого можно расширить спектральный диапазон генерации.

При облучении ионизирующим излучением кристалла LiF, содержащего ионы гидроксила, в нем эффективно создаются F₂⁺-центры окраски, люминесцирующие в спектральной области 0,83-1,15 мкм при возбуждении в области 0,5-0,75 мкм (фиг.2).

В неактивированных кристаллах LiF облучение более эффективно создает F₂-центры, которые люминесцируют в спектральной области 0,62-0,75 мкм при возбуждении их в области 0,4-0,55 мкм (фиг.3). Перестройка длины волны генерации осуществляется в пределах полос люминесценции этих кристаллов.

Кристаллы фторида лития, содержащие F₂⁺ и F₂⁺V_c^-центры окраски, позволяют перекрыть спектральный диапазон 0,75-0,83 мкм (фиг.4).

По сравнению с базовым объектом, данный способ позволяет изготовить активный элемент для перестраиваемого лазера на основе кристаллов фторида лития с перестройкой частоты генерации в спектральном диапазоне, более чем в 1,5 раза превышающем диапазон активного элемента, изготовленного базовым способом.

Кроме того, из известных лазеров, которые наиболее удобны и широко используются в различных отраслях народного хозяйства, можно выделить неодимовый лазер на гранате. Излучение его второй гармоники (λ=0,532 мкм) попадает в максимум полосы поглощения F₂⁺V_c^-центров и в коротковолновый край полосы поглощения F₂-центров.

Таким образом, очень эффективно используется излучение накачки. Благодаря высокой концентрации F₂⁺V_c^-центров и отсутствию паразитных центров, КПД активных элементов, полученных данным способом, достигает теоретически предельной величины (30%) при 20^оС. Активный элемент работает в режиме с высокой частотой повторения импульсов (до 100 Гц).

Использование кристаллов LiF-Mg, LiF-Ni, LiF-Co c F₂⁺V_c^-центрами, полученных данным способом, позволит получить непрерывную генерацию на этих кристаллах при накачке второй гармоникой лазера на гранате или излучением аргонового лазера с перестройкой частоты в диапазоне 0,75-1,1 мкм.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ЛАЗЕРА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ФТОРИДА ЛИТИЯ С ЦЕНТРАМИ ОКРАСКИ, содержащего примесь, включающий выращивание кристалла из расплава и облучение его ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона генерации лазера, в расплав фторида лития вводят двухвалентные катионозамещающие примеси магния, или никеля, или кобальта при концентрации от 5 · 10^-3 до 10^-1 мас. затем кристалл охлаждают до (-196^oС) - (-30^oС), облучают дозой 10⁸ Рентген с последующим отжигом его при 20^oС в течение 0,5 2 ч.