ЛАЗЕРНАЯ АКТИВНАЯ СРЕДА Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, к лазерным активным средам на основе монокристаллов с центрами окраски (ЦО) и может быть использовано при создании плавно перестраиваемых по частоте квантовых усилителей и генераторов, работающих при комнатной температуре в области 520-750 нм.

Целью изобретения является снижение порога генерации F₃⁺-центров при одновременном повышении оптической устойчивости F₂-центров в лазерной активной среде на основе монокристалла фтористого лития.

Лазерная активная среда на основе монокристалла LiFc F₂^- и F₃⁺-центрами содержит концентрации рабочих центров, определяемые коэффициентом их оптического поглощения на длине волны 460 нм в интервале 27-37 см^-1 для F₃⁺; 33-99 см^-1 для F₂-центров, а коэффициент поглощения сопутствующих F₃-центров находится в интервале 0,01-2,3 см^-1 на длине волны 380 нм.

Нижние границы указанных значений коэффициентов поглощения рабочих центров обусловлены тем, что дальнейшее уменьшение концентрации F₂ и F₃⁺-центров повышает величины пороговых плотностей накачки до значений, при которых имеет место оптическое разрушение F₂-центров.

Нижняя граница коэффициента поглощения F₃-центров соответствует минимально достигнутому значению коэффициента поглощения, полученному для лазерной среды LiF(F₂, F₃⁺) с указанной выше концентрацией рабочих центров.

При концентрации F₃-центров, соответствующей верхней границе указанных выше концентраций (2,3 см^-1), порог генерации, как показали испытания, приближается к 150 кВт/см². При превышении этого значения уже наблюдается разрушение F₂-центров. Следовательно, дальнейшее повышение нецелесообразно.

Верхняя граница указанного выше интервала концентрации (коэффициента поглощения) F₃⁺-центров определяется потерями в области генерации F₃⁺-центров. Дальнейшее увеличение коэффициента поглощения F₃⁺-центров приводит к росту поглощения в спектральной области излучения этих центров и повышению порога.

Поскольку крыло полосы поглощения F₂-центров распространяется на спектральную область генерации F₃⁺-центров, то первые центры вносят потери при генерации вторыми центрами. Так как верхний предел концентрации F₃^+-центров ограничен, и вместе с тем, необходимо обеспечить одновременную генерацию двух типов центров окраски, то концентрация F₂-центров должна быть связана с концентрацией F₃⁺-центров. Как показали эксперименты, при коэффициентах поглощения F₂ до 99 см^-1, соответствующих верхней границе их концентрации, еще наблюдается генерация на обоих типах ЦО с порогами не превышающими 150 кВт/см². Это и определяет верхнюю границу коэффициентов поглощения F₂ ЦО.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1,2 представлены спектры оптического поглощения и люминесценции лазерных активных сред LiF(F₂, F₃⁺).

П р и м е р 1. Лазерная среда представляет собой монокристалл LiF, содержащий F₂ = и F₃⁺-центры. F₂-центры включают в свой состав две анионные вакансии, с двумя локализованными на них электронами. Полоса поглощения F₂-центров имеет максимум на λ_m-441 нм, излучение - 680 нм. F₃⁺-центры включают в свой состав три анионные вакансии с двумя локализованными на них электронами. Спектральные характеристики F₃⁺-центров, соответственно λ_погл = 458 нм, λ_изл= 540 нм. Имея в распоряжении спектры и зная соотношение интенсивностей полос в спектрах люминесценции, определяют концентрации рабочих центров по формулам
K = , K = K_m-K, где К_m - суммарный коэффициент поглощения на длине волны 460 нм, см^-1;
I/I- соотношение интенсивностей люминесценции F₂ = и F₃⁺-центров, соответственно;
/= 2,7 - соотношение квантовых выходов рабочих центров, определенное экспериментально.

Они составили, в единицах коэффициента поглощения К на длине волны 460 нм: K+ = 27 см^-1; K = 33 см^-1. Коэффициент поглощения сопутствующих F₃-центров на длине волны 380 нм; K = 0,01 см^-1. На фиг. 1 (кривая 1) представлены спектральные характеристики данной среды.

П р и м е р 2. Другая лазерная среда изготовлена на основе монокристалла фторида лития, содержащего рабочие центры в концентрации (кривая 2): K+ = 32,5 см^-1; K = 49,0 см^-1, а сопутствующие центры K = 0,38 см^-1.

П р и м е р 3. Еще одна лазерная среда изготовлена на основе монокристалла LiF, содержащего рабочие центры в концентрации (фиг. 2, кривая 3): K+ = 37 см^-1; K= 99 см^-1, а также сопутствующие центры K = 2,3 см^-1.

П р и м е р 4. Лазерная среда изготовлена на основе монокристалла фтористого лития, содержащего рабочие центры в концентрации (кривая 4): K = 48 см^-1, K = 135 см^-1. Коэффициент поглощения сопутствующих F³-центров K = 4,2 см^-1.

Лазерные элементы выполнены в форме параллелепипедов из кристаллов, окрашенных облучением сильноточными импульсами электронов с длительностью 10 нс, энергией до 0,3 МэВ. При этом глубина проникновения электронов составила 300 мкм. За один импульс вводили в кристалл через поверхность 1 см^-2 1,66 х 10¹³ электронов. Облучение проводили при комнатной температуре. Дозу для различных лазерных сред устанавливали различной, варьируя количество импульсов облучения. Лазерные элементы имели следующие размеры: 10 х 5 х 3 мм³. Исследуемый элемент выполнен на основе единого монокристалла, содержащего окрашенный слой толщиной 300 мкм и неокрашенную часть. Окрашенный слой, содержащий рабочие центры, прилегал к грани лазерного элемента размером 5 х 10 мм². Оптическая плотность слоя D на λ= 460 нм измерялась с помощью спектрофотометра MPS-50L. По измеренному значению D с учетом спектров люминесценции находился коэффициент поглощения рабочих центров. Характеристики лазерных элементов приведены в таблице.

Коэффициенты поглощения ρ всех описанных предложенных элементов в спектральной области генерации 516-750 нм, характеризующие потери, не превышали 1 см^-1. Малое значение отношения Р/К характерно для предложенных лазерных сред, поскольку условия облучения не способствовали образованию сложных агрегатных центров. В таблице приведены также значения пороговой плотности мощности накачки в схеме лазера с поперечной накачкой. Для накачки использовалась вторая гармоника перестраиваемого лазера на F₂⁺-центрах в LiF-OH с λ= 457 ем, который накачивался лазером на рубине. Как следует из приведенных данных при коэффициенте K+ = 27-37 см^-1 и K = 33-99 см^-1, а также концентрации сопутствующих центров K = 0,01-2,3 см^-1 порог накачки находится в интервале 60-150 кВт/см².

Вместе с тем из таблицы следует, что при значениях K+ = 27 см^-1и K = 33 см^-1 величина порога плотности мощности накачки F₃⁺-центров приближается к предельному значению, превышение над которым приводит к снижению оптической устойчивости F₂-центров. Следовательно, дальнейшее уменьшение концентрации рабочих центров не целесообразно.

Для лазерной среды с K+ = 37 см^-1 и K = 99 см^-1 порог генерации F₃⁺-центров достигает 150 кВт/см² в связи с ростом потерь в области генерации F₃^+-центров в спектрах поглощения (см. фиг. 2, кривая) начинают проявляться агрегатные центры R (380 нм) с коэффициентом поглощения в максимуме K = 2,3 см^-1 и N (520, 550 нм) - центры). Поэтому следует ограничиться значениями K+ = 27-37 см^-1 и K = 33-99 см^-1.

Изменения соотношения интенсивностей люминесценции рабочих центров в пользу F₂-центров и рост потерь в области генерации F₃⁺-центров приводит к тому, что наблюдается генерация только в красной области спектра. Примером является лазерная среда с K+ = 48 см^-1 и K = 135 см^-1; K = 4,2 см^-1.

Для описанных лазерных элементов минимальное значение пороговой плотности мощности накачки для F₃⁺-центров составило 60 кВт/см². Минимальная пороговая энергия накачки F₃⁺-центров - 45 мкДж. Более низкий порог позволяет работать в области малых плотностей мощности накачки (до 150 кВт/см²), благодаря чему повышается устойчивость F₂-центров.

Таким образом, предлагаемая лазерная среда на основе монокристалла фтористого лития с F₂ = и F₃⁺-центрами окраски, дает возможность значительно снизить порог генерации F₃⁺-центров, получив одновременно генерацию на двух типах ЦО (F₂, F₃⁺) с расширением спектральной области генерации (516-750 нм).

Изобретение относится к квантовой электронике, к лазерным активным средам на основе монокристаллов с центрами окраски (ЦО). Цель изобретения - снижение порога генерации F+3

-центров при одновременном повышении оптической устойчивости F₂ -центров. Для этого лазерная активная среда на основе монокристалла LiF(F₂F+3) содержит концентрации рабочих центров, соответствующие коэффициентам поглощения на длине волны 460 мм в интервале 27-37 см^-1 для F+3= 33-99 см^-1 для F₂ -центров, а коэффициент поглощения сопутствующих F₃ -центров находится в интервале 0,01-2,3 см^-1 на длине волны 380 мм. Лазерная активная среда LiF(F₂, F+3) дает возможность получить одновременно генерацию на двух типах ЦО (F₂, F+3) с расширением спектральной области генерации (516-750 мм). 2 ил., 1 табл.

ЛАЗЕРНАЯ АКТИВНАЯ СРЕДА на основе монокристалла фтористого лития с F₂= F+3

-рабочими и сопутствующими F₃ - центрами, отличающаяся тем, что, с целью снижения порога генерации F+3 - центров при одновременном повышении оптической устойчивости F₂ - центров, концентрации рабочих центров соответствуют коэффициентам оптического поглощения на длине волны 460 нм в интервале 27 - 37 см^-1 для F+3 -, в интервале 33 - 99 см^-1 для F₂ - центров и в интервале 0,01 - 2,3 см^-1 на длине волны 380 нм для F₃ - центров.