СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, к способам изготовления активных элементов на основе монокристаллов, и может быть использовано при создании плавно перестраиваемых по частоте оптических квантовых усилителей и генераторов, работающих при комнатной температуре в ближней инфракрасной (ИК) области спектра.

Известен способ изготовления активных элементов на основе монокристалла LiF с примесью гидроксила путем облучения ионизирующим излучением при температуре 300К.

Рабочими центрами таких активных элементов являются стабилизированные двухзарядными ионами кислорода O^-- F⁺-агрегатные центры, создаваемые под действием ионизирующего излучения в результате радиолиза ионов гидроксила.

Недостатком таких активных элементов является малая величина коэффициента оптического усиления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления активных элементов на основе монокристаллов с примесями, стабилизирующими центры окраски, заключающийся в облучении кристалла ионизирующим излучением при комнатной температуре.

Такой способ обеспечивает создание необходимой для получения лазерного эффекта концентрации термически стабильных рабочих центров, однако не позволяет получить максимально достижимые для данного активного элемента энергетические параметры. Это обусловлено тем, что примесь в кристаллах находится в различных состояниях, в виде одиночных ионов в узлах решетки димеров, тримеров, кластеров, комплексов катионо- и анионозамещенных примесей, а также различного типа фаз, в том числе в виде, так называемой, фазу Сузуки. В то же время повышение термической устойчивости центров является результатом их стабилизации на одиночных диполях или ионах примеси. Следовательно, имеется резерв, который может значительно повысить концентрацию рабочих центров, в результате чего повысится коэффициент усиления, КПД, выходная энергия лазера. Вопрос о достижении максимальной для данного активного элемента концентрации рабочих центров не решается путем увеличения дозы облучения, поскольку зависимость концентрации центров, стабилизированных примесью, от дозы облучения имеет вид кривой с насыщением, уровень которого зависит от состояния примеси в кристалле.

Целью изобретения является придание активному элементу оптимальных энергетических параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления активного элемента монокристалл перед облучением ионизирующим излучением подвергают термической обработке с выдержкой не менее 2 ч. Термическая обработка приводит к изменению состояния примеси. Происходит распад крупных комплексов и перераспределение примесей по объему монокристалла. При этом появляется большое число одиночных ионов или диполей, которые служат местом локализации рабочих центров активного элемента.

В результате проведенных исследований, а также на основе литературных данных, было установлено следующее.

1. В кристаллах LiF, содержащих комплексы O^--V-a

2. Начиная с температуры 250^оС в кристаллах LiF-Mg идет растворение преципитатной фазы 6LiF-MgF₂, в результате чего увеличивается концентрация диполей Mg⁺⁺V_c^-, где Vc^- катионная вакансия. При более высоких температурах растворяются крупные скопления примесей Mg⁺⁺, что также ведет к увеличению концентрации диполей, т.е. мест локализации рабочих центров окраски. Аналогичное явление наблюдается и в кристаллах LiF, активированных примесью Ti и Ni.

На фиг.1 изображена установка для испытания активных элементов; на фиг.2 колебательный спектр монокристалла.

В установке (см.фиг.1) для накачки использовалось излучение первой гармоники рубинового лазера 1 длиной волны 694 нм, работающего в режиме с модулированной добротностью. Активный элемент из фторида лития 2 помещался в резонатор, образованный зеркалами 3 и 4 с коэффициентами отражения R₁ 99,9% и R₂ 96% Энергия импульса лазера на LiF измерялась с помощью измерителя ИМО-2(5).

Были взяты две группы активных элементов, изготовленных из монокристалла фторида лития с примесями магния и гидроксила.

Колебательный спектр монокристалла изображен на фиг.2. Активные элементы отличались способами изготовления.

Активные элементы I группы были изготовлены из монокристалла, облученного γ -излучением при комнатной температуре. Монокристаллы II группы перед облучением подвергались термической обработке прогревались в течение 1 ч при 250^оС с последующим охлаждением до комнатной температуры. Доза ионизирующего излучения составляла 10⁷рентген.

При постоянной выходной энергии рубинового лазера энергия в импульсе на выходе лазера на фториде лития с активным элементом из группы I составляла 3˙10^-3-5˙10^-3 Дж. Для активного элемента из группы II эта величина оказалась равной 10˙10^-3-15˙10^-3 Дж.

Таким образом, цель изобретения достигнута. Использование предлагаемого способа по сравнению с существующими дает следующие преимущества:
обеспечивает более равномерное распределение центров окраски по объему монокристалла и вследствие этого уменьшает флуктуации коэффициента усиления по объему активного элемента;
уменьшает потери преобразуемой в лазере энергии;
повышает энергию на выходе лазера.

Способ прост для осуществления, позволяет улучшить активный элемент без дополнительных затрат.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА на основе монокристалла фторида лития с примесями, включающий облучение ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью оптимизации энергетических параметров активного элемента, монокристалл перед облучением ионизирующим излучением подвергают термической обработке в температурном интервале 250 - 450^oС в течение не менее 2 ч.