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

Изобретение относится к области квантовой электроники, к способам изготовления активных элементов твердотельных ОКГ и может быть использовано при создании перестраиваемых по частоте оптических квантовых генераторов (ОКГ) и усилителей (ОКУ) инфракрасного диапазона.

Известен способ изготовления активных элементов на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в выращивании монокристалла без дополнительной обработки сырья и облучения монокристалла электроники при комнатной температуре. Активные элементы, изготовленные таким способом, работают при низкой температуре, не превышающей 200^оК. Это обусловлено тем, что оптически 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.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления активных элементов на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в выращивании монокристалла методов Киропулоса с введением в шихту примесей LiOH и последующим облучением выращенного монокристалла ионизирующим излучением при температуре 330^оК с дозой 10⁷ р. Рабочими центрами в таком активном элементе являются F₂⁺-центры, создаваемые под действием ионизирующего излучения и стабилизированные двухзарядными ионами кислорода.

Недостатком активного элемента, изготовленного таким способом, является малая величина коэффициента оптического усиления, ограниченная малой концентрацией рабочих центров, в образовании которых участвуют ионы гидроксила. Попытка увеличения концентрации гидроксила путем введения в шихту примеси LiOH неэффективна, так как при нагревании LiOH разлагается с образованием окисла, который захватывается растущим кристаллом в виде фазы.

Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента оптического усиления при комнатной температуре путем увеличения концентрации рабочих центров, а также более равномерное распределение коэффициента усиления по объему активного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления активных элементов твердотельного лазера на основе монокристалла фторида лития, включающем засыпку шихты, выращивание монокристалла из расплава с последующим облучением его ионизирующим излучением, шихту дополнительно измельчают и увлажняют, а облучение монокристалла производят с фазой 10⁷-4 ˙ 10⁷ Р при температуре от 50-100^оС.

Выращивание производят из шихты, предварительно измельченной до размеров 0,5 мкм и увлажненной до 5%
Другое отличие состоит в том, что облучение ведут при температуре от 50^о-100^оС дозой 4 ˙ 10⁷ Р.

Предварительное измельчение и увлажнение сырья приводят к значительному увеличению концентрации гидроксил-ионов в монокристалле, которые служат для образования 0^-- F₂⁺-рабочих центров.

Принципиальное отличие предлагаемой операции введения гидрокисла за счет измельчения шихты и ее увлажнения от введения гидроксила в виде LiOH примеси состоит в том, что при нагревании при 100-200^оС не происходит превращения гидроокиси лития в окись, так как гидролиз фтористого лития и образование LiOH начинается при 300-400^оС. В этом случае самостоятельной фазы не образуется, а образуются твердые растворы LiF-LiOH, что препятствует превращению гидроксила в окись лития. В результате этого концентрация LiOH в расплаве достигает значительных величин без заметного увеличения примеси Li₂O, которая, вкрапляясь в кристалл в виде фазы, делает их непригодными к использованию в качестве активных элементов.

С другой стороны, наиболее эффективно в процессе образования 0^--F₂⁺-центров участвуют одиночные ионы гидроксила, которые составляют незначительную часть общего их числа в монокристалле фторида лития. Другая часть образует сложные комплексы. Эти комплексы могут разрушаться при повышении температуры кристалла, увеличивая концентрацию одиночных ионов ОН^-.

Под действием ионизирующего излучения происходит радиолиз ОН^- с образованием диполей 0^-- -V_a⁺, где Va⁺ анионная вакансия. Диполи диффундируют и объединяются с 0^-- F₂⁺-центрами, образуя F-центры. При повышении температуры кристалла их подвижность, а следовательно, эффективность образования 0^-- F_a⁺ увеличивается. Таким образом, при увеличении температуры облучения за счет увеличения концентрации свободных ионов ОН^- и увеличения подвижности диполей 0^-- V_a⁺увеличивается эффективность образования 0^-- F₂⁺ рабочих центров. Температура облучения не должна превышать 100^оС, так как при этой температуре 0^-- F₂⁺ центры начинают разрушаться за счет отхода анионной вакансии в комплексе
0^--V+a

F ≡ 0^--F+2
Наряду с образованием 0^-- F₂⁺ центров под действием ионизирующего излучения в кристалле фтористого лития образуются F₂⁺-центры, полоса поглощения которых перекрывается с полосой излучения F₂⁺ 0^---рабочих центров. Реабсорбция существенно снижает квантовый выход люминесценции F₂⁺ 0^---центров, а, следовательно, коэффициент оптического усиления. Концентрация образующихся F-2 -центров в LiF тем меньше, чем больше число электронных ловушек, в качестве которых служат ионы водорода и кислорода, являющиеся продуктами радиолиза ОН^-. F₂^--центры в кристалле LiF с пониженной концентрацией ОН^- начинает создаваться уже при дозах 10⁷ Р, в то время, как в LiF с повышенной концентрацией одиночных ионов ОН^- только при дозах 4 ˙ 10⁷ Р. Повышение же дозы облучения до 4 ˙ 10⁷ Р позволяет увеличить концентрацию F₂⁺-центров.

П р и м е р. На фиг. 1 приведены спектры поглощения кристаллов фторида лития (кривая а) выращенного из сырья, не подвергавшегося дополнительной обработке и облученного γ-излучением радиоактивного кобальта Со⁶⁰ при 25^оС с экспозиционной дозой 10⁷ Р (I) и кристалла фторида лития (кривая б), выращенного по предложенному способу из измельченного и увлажненного сырья и облученного γ-излучением Со⁶⁰дозой 4 ˙ 10⁷ Р при температуре 80^оС (2). Из сопоставления кривых (а) и (б) видно, что концентрация F₂⁺ 0^---центров, пропорциональная коэффициенту поглощения в спектральной области 660-700 км, выше в кристалле LiF, выращенном из обработанного сырья.

Из монокристаллов фторида лития 1 и 2 были изготовлены активные элементы, представляющие собой параллелепипеды размером 20х10х10 мм, противоположные грани которых отполированы.

Испытание активных элементов проводилось в установке, изображенной на фиг. 2. 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 пластинки 5 сводится на коаксиальный фотоэлемент 6 ФЭК-09. Электрический импульс с фотоэлемента регистрировался осциллографом CI-707. Излучение лазера на LiF регистрировалось с помощью электронно-оптического преобразователя ЭОП 8. Сравнение пороговых мощностей генерации кристаллов фторида лития кривая а и б (фиг. 1) производилось следующим образом. Мощность накачки уменьшалась с помощью светофильтров до тех пор, пока не исчезал сигнал генерации LiF кривая а и б (фиг. 1). Эта мощность накачки и явилась пороговой. Затем сравнивались величины сигналов порогового уровня накачки на экране осциллографа для LiF кривая а и б (фиг. 1). Такие измерения были проделаны 10-20 раз. Сравнение показало, что мощность накачки для LiF (кривая б) в среднем на порядок меньше, чем для LiF (кривая а). Поскольку коэффициент усиления в области накачки, близкой к пороговой, пропорционален интенсивности накачки, то, следовательно, коэффициент оптического усиления на 1 см длины активного элемента на основе LiF (кривая б) в 10 раз выше, чем для активного элемента на основе LiF (кривая а). Таким образом, цель изобретения достигнута.

Использование предлагаемого способа изготовления активного элемента по сравнению с известными обеспечивает высокую концентрацию рабочих центров с сохранением достаточной оптической однородности, что значительно повышает коэффициент усиления активного элемента.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА на основе монокристалла фторида лития, включающий загрузку шихты, выращивание монокристалла из расплава с последующим облучением его ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения оптического коэффициента усиления за счет увеличения концентрации рабочих центров, шихту дополнительно измельчают и увлажнаяют, а облучение монокристаллов производят с дозой 10⁷ 4 · 10⁷ рентген при температуре от 50 100^oС.