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

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

Известны активные элементы, изготовленные из монокристаллов хлорида калия, содержащие 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 температуре, не превышающей 200 К. Это обусловлено тем, что активные центры при более высоких температурах разрушаются. Вследствие этого, необходимо охлаждать активный элемент жидким азотом или иным способом, что значительно усложняет конструкцию лазера или усилителя и ухудшает условия его эксплуатации.

Известны активные элементы с центрами окраски на основе монокристалла фторида лития, содержащего ионы гидроксила. Рабочими центрами таких активных элементов являются стабилизированные двухзарядными ионами кислорода О^--F₂⁺ агрегатные центры, создаваемые под действием ионизирующего излучения в результате радиолиза ионов гидроксила.

Недостатком таких активных элементов является малая величина коэффициента оптического усиления, ограниченная малой концентрацией рабочих центров окраски, в образовании которых участвуют ионы гидроксила.

Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента оптического усиления активного элемента при комнатной температуре.

Для достижения этой цели активный элемент дополнительно содержит ионы магния. При этом концентрация ионов магния возможна в широких пределах до максимально возможной растворимости ионов магния в фториде лития.

В результате исследования влияния ионов гидроксила, двухзаряных ионов магния, а также их совместного влияния на эффективность образования, термические и оптические характеристики F₂⁺-агрегатных центров установлено следующее.

В кристаллах фторида лития, содержащего ионы гидроксила, создаются термически и оптически устойчивые при комнатной температуре О^-- F₂⁺ рабочие центры окраски, концентрация которых ограничивается малой концентрацией ионов гидроксила, участвующих в их образовании. Остальная часть ионов гидроксила идет на образование других центров окраски.

В кристаллах фторида лития, содержащего ионы магния, образуются термически и оптически устойчивые при комнатной температуре V_c^-F₂⁺ рабочие центры окраски, концентрация которых ограничивается долей ионов магния, участвующих в их образовании (V_c обозначена катионная вакан- сия).

В кристаллах фторида лития, содержащего ионы гидроксила и магния, центрация стабилизированных F₂⁺-центров увеличивается по сравнению с кристаллами фторида лития, содержащего только ионы гидроксила или магния. Увеличение концентрации стабильных рабочих центров окраски обусловлено участием в их образовании как ионов магния, так и ионов гидроксила, а также увеличением концентрации электронных ловушек, которые необходимы для создания заряженных F-агрегатных центров.

На фиг. 1 приведены спектры возбуждения инфракрасной (ИК) люминесценции, обусловленной стабильными центрами окраски кристаллов фторида лития, содержащего ионы гидроксила I, ионы магния II и ионы магния и гидроксила III. Для создания центров окраски монокристаллы были облучены γ -излучением радиоактивного кобальта Со⁶⁰ при 26^оС с экспозиционной дозой 10⁷ рентген. Из сопоставления кривых видно, что интенсивность люминесценции стабильных при комнатной температуре центров в кристаллах фторида лития, содержащего ионы гидроксила и магния выше. Контроль за содержанием ионов гидроксила и магния, находящихся в комплексах Mg⁺⁺ОНОНV_c^-, осуществлялся по ИК-спектрам поглощения.

На фиг. 2 приведены спектры ИК поглощения кристаллов фторида лития, содержащего ионы гидроксила I и ионы гидоксила и магния III. Из этих монокристаллов, облученных дозой 10⁷ рентген, были изготовлены активные элементы. Активные элементы представляют собой параллелепи- педы размером 30 х 7 х 7 мм, противоположные грани которых отполированы.

Испытания активных элементов проводились в установке, изображенной на фиг. 1. Для накачки использовалось излучение первой гармоники рубинового лазера 1 с длиной волны 694 нм, работающего в режиме с модулированной добротностью. Активный элемент из фторида лития 2 помещался в резонатор, образованный диэлектрическими зеркалами 3, 4, с коэффициентами отражения R₁ 99,9% и R₂ 96% Часть излучения рубинового лазера с помощью делительной плаcтины 5 отводилась на коаксиальный фотоэлемент ФЭК-09 6. Электрический импульс с фотоэлемента регистри- ровался осциллографом С1-70 7. Излучение лазера на LiF регистрировалось с помощью электронно-оптического преобразователя ЭОП 8.

Сравнение порогов генерации кристаллов фторида лития, содержащего ионы гидроксила LiF-ОН, и фторида лития, содержащего ионы гидроксила и магния LiF-Mg, ОН, производилось следующим образом.

Мощность накачки уменьшалась с помощью светофильтров 9 до тех пор, пока не исчезал сигнал LiF-Mg, ОН или LiF-ОН на экране ЭОП. Эта мощность и являлась пороговой. Затем сравнивались величины сигналов порогового уровня накачки на экране осциллографа для LiF-Mg, ОН и LiF-ОН. Было получено несколько десятков импульсов генерации. Сравнение показало, что мощность накачки для LiF-Mg, ОН в среднем, в 5 раз ниже, чем для LiF-ОН. Поскольку коэффициент усиления в области накачки близкой к пороговой пропорционален интенсивности накачки, следовательно, коэффициент усиления на 1 см длины активного элемента на основе LiF-MgОН в 5 раз выше, чем для активного элемента на основе LiF-ОН.

Таким образом, активный элемент способен работать при комнатной температуре неограниченно долгое время без дополнительного облучения ионизирующей радиацией, не гигроскопичен, прост в эксплуатации. Благодаря выскоой концентрации рабочих центров окраски, возможна реализация непрерывного режима генерации.

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА на основе фторида лития, содержащего ионы гидроксила, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления при комнатной температуре, он дополнительно содержит ионы магния.