АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОКГ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, к активным элементам оптических квантовых устройств и может быть использовано при создании перестраиваемых по частоте оптических квантовых усилителей (ОКУ) и генераторов (ОКГ) инфракрасного диапазона.

Известны активные элементы, выполненные из монокристалла фторида бария, содержащего двухвалентные ионы, например, ионы никеля.

Недостатками этих активных элементов является низкая рабочая температура, а также отсутствие возможности плавной, непрерывной перестройки частоты.

Известны активные элементы, изготовленные из монокристаллов хлорида калия с примесью Li, содержащие электронные центры окраски, обладающие широкой полосой люминесценции в ближней инфракрасной области спектра и позволяющие плавно перестраивать рабочую частоту ОКГ и ОКУ в пределах этой полосы.

Такие активные элементы работают при низкой рабочей температуре, не превышающей 200 К. Это обусловлено тем, что люминесценция активных центров при более высоких температурах термически потушена. Вследствие этого необходимо охлаждать активный элемент жидким азотом или иным способом, что значительно усложняет конструкцию лазера или усилителя и ухудшает условия его эксплуатации. Другим недостатком известного активного элемента является его нестойкость к воздействию влаги, поскольку он изготовлен из материала, хорошо растворимого в воде.

Известен активный элемент, на основе монокристалла, содержащего центры окраски. Активный элемент, изготовленный из монокристалла фторида лития, содержащий электронные центры окраски, обладает широкой полосой люминесценции в ближней инфракрасной области спектра и позволяет плавно перестраивать частоту ОКУ и ОКГ в пределах этой полосы.

Недостатком известного активного элемента является низкий линейный коэффициент оптического усиления, ограниченный малой концентрацией стабильных при комнатной температуре активных центров окраски.

Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента усиления активного элемента.

Для достижения этой цели активный элемент выполнен из фторида лития, содержащего ионы гидроксила. В результате исследования влияния ионов гидроксила на свойства центров окраски в монокристаллах фторида лития, установлено, что ионы ОН^-, изменяют условия термодинамического равновесия радиационных дефектов, способствуют повышению концентрации стабильных при комнатной температуре активных центров окраски.

На фиг. 1 изображены спектры люминесценции активного элемента; на фиг.2 один из вариантов схемы установки для исследования коэффициента усиления активного элемента.

Активный элемент представляет собой параллелепипед размером 6х6х30 мм, противоположные грани которого отполированы. Он выполнен из содержащего ионы гидроксила монокристалла фторида лития.

В монокристалле были созданы центры окраски. Для создания центров окраски монокристаллы были облучены γ-излучением радиоактивного кобальта Со⁶⁰ при 50^оС c экспозиционной дозой 3х10⁶ рентген. Облучение может быть проведено и другим ионизирующим излучением. При этом в кристалле образуются центры окраски, обладающие инфракрасной люминесценцией, которые могут быть использованы как активные центры. Спектр люминесценции, обусловленный стабильными центрами окраски, показан кривой 1 на фиг.1. Кривая 2 изображает спектр люминесценции фторида лития, не содержащего ионы гидроксила. Из сопоставления кривых 1 и 2 видно, что интенсивность люминесценции стабильных при комнатной температуре центров в кристалле фторида лития, содержащем ионы ОН^-, выше.

Проведены испытания работы двух активных элементов в оптическом квантовом усилителе на длине волны 928 нм. Измерены коэффициенты усиления и полученные данные сопоставлены с результатами исследования активного элемента из монокристалла фторида лития, не содержащего ионы гидроксила. Испытания проведены на установке, схема которой представлена на фиг.2. Для накачки использован рубиновый лазер 3, работающий в импульсном режиме свободной генерации с длиной волны излучения 694 нм и мощностью 20 квт. Для усиления, в качестве сигнального излучения, использовано инфракрасное излучение лампы 4 типа ДАЦ 50, которое формировалось в параллельный пучок конденсатором 5 и выделялось интерференционным светофильтром 6 с максимумом полосы пропускания 928 нм. Это излучение, проходя через активный элемент 7, поступало на вход монохроматора 8, настроенного на длину волны 928 нм, регистрировалось фотоприемником 9 и осциллографом 10. Излучение накачки направлялось на полированную поверхность активного элемента под углом 5^о к направлению сигнального излучения, которое поступало под углом 90^о к рабочей поверхности кристалла.

Активный элемент работал в усилителе следующим образом: излучением накачки в активном элементе создавалась инверсная заселенность рабочих энергетических уровней центров окраски. Сигнальное излучение, проходя по активному элементу, вызывало вынужденные переходы в центрах окраски, что приводило к усилению сигнального излучения лампы 4. Фотоприемником регистрировалась интенсивность сигнального излучения до действия накачки Yo и в момент действия накачки Y. Расстояние от активного элемента до фотоприемника выбиралось таким, чтобы не наблюдался сигнал спонтанной люминесценции. Коэффициент оптического усиления α составил для образца из монокристалла фторида лития, содержащего ионы гидроксила 0,35±0,03 см^-1; для фторида лития, не содержащего ионы гидроксила 0,1±0,01 см^-1.

Предложенный активный элемент работает при комнатной температуре, устойчив к воздействию влаги, прост в эксплуатации. Благодаря высокой концентрации активных центров, излучение накачки поглощается эффективно, поэтому появляется возможность уменьшения активного элемента без снижения оптической мощности, либо имеется возможность повысить КПД преобразования излучения при одних и тех же размерах активных элементов.

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОКГ на основе монокристалла с центрами окраски, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, он выполнен из фторида лития, содержащего ионы гидроксила.