ЛАЗЕРНОЕ ВЕЩЕСТВО Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к твердотельным активным материалам оптических квантовых устройств и может быть использовано при изготовлении активных элементов плавно перестраиваемых по частоте оптических квантовых усилителей (ОКУ) и генераторов (ОКГ) ближнего инфракрасного (ИК) диапазона.

Известен твердотельный активный материал, выполненный из фторида лития с центрами окраски ОКГ, на основе этого активного материала работают при комнатной температуре и позволяют плавно перестраивать частоту генерации в ИК диапазоне.

Недостатком этого материала является то, что плавная перестройка частоты ОКГ, выполненных на его основе, возможна лишь в диапазоне 0,88-1,2 мкм.

Для многих исследовательских и технических задач, например, для метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии необходимы ОКГ с плавной перестройкой частоты в более широком ИК диапазоне.

Известен активный материал, выполненный из фторида натрия с центрами окраски. ОКГ на основе этого материала позволяет плавно перестраивать частоту генерации.

Недостатком этого материала является то, что он способен работать лишь при низкой температуре, не превышающей 200 К. Это обусловлено тем, что F₂⁺ центры, служащие в этом материале рабочими центрами при более высоких температурах разрушаются. Необходимость охлаждения активного элемента жидким азотом или иным способом значительно усложняет конструкцию ОКГ и условия его эксплуатации.

Наиболее близким является активный материал, выполненный из фторида натрия с центрами окраски. ОКГ на основе этого материала позволяет плавно перестраивать частоту генерации в диапазоне 0,35-1,35 мкм и способен работать при комнатной температуре.

Недостатком этого активного материала является недостаточная концентрация рабочих центров. Причиной этого является низкая эффективность накопления в кристалле NaF стабильных при комнатной температуре F₂⁺ центров, служащих рабочими центрами. Следствием этого недостатка является малая величина коэффициента оптического усиления активного материала.

Целью изобретения является повышение концентрации рабочих центров, позволяющих осуществлять плавную перестройку.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерное вещество на основе фторида натрия с центрами окраски, излучающее при комнатной температуре, введена окись европия Eu₂O₃ в следующей концентрации 1 ˙ 10^-4 2 ˙ 10^-2 мас.

В результате исследований установлено, что при облучении ионизирующей радиацией кристаллов NaF, содержащих ряд примесей, например Eu₂O₃, образуются термически устойчивые при комнатной температуре F₂⁺ центры, служащие рабочими центрами ОКГ. Установлено также, что концентрация F₂⁺ центров в кристаллах NaF, содержащих примесь Eu₂O₃, существенно выше, чем в кристаллах фторида натрия, не содержащих примесей.

Достижение положительного эффекта увеличение концентрации рабочих центров обусловлено следующими процессами.

Примесные ионы Eu³⁺ в процессе облучения кристалла служат эффективными центрами локализации электронов, тем самым способствуют более быстрому накоплению положительно заряженных F₂⁺ центров.

Отрицательно заряженные ионы О^2- изменяют условия термодинамического равновесия радиационных дефектов и повышают термическую стабильность образовавшихся F₂⁺ центров.

На фиг.1 приведены спектры поглощения кристаллов с различным содержанием примеси Eu₂O₃.

Максимальная концентрация примеси Eu₂O₃, вводимой в NaF, составлялa 2 ˙ 10^-2 мас. (кривая 1).

Минимальная концентрация 1 ˙ 10^-4 мас. (кривая 2).

Средняя концентрация 1 ˙ 10^-2 мас. (кривая 3).

Из фиг. 1 видно, что наиболее эффективно центры образуются в кристаллах NaF со средней концентрацией примеси Eu₂O₃.

Диапазоны плавной перестройки частоты излучения ОКГ на основе предлагаемого активного материала составляет 0, 8-1,4 мкм при комнатной температуре (КТ). Детальные исследования показали, что генерация в предложенном материале происходит не только на F₂⁺, но и на F₃^- центрах одновременно.

Монокристаллы фторида лития синтезировались методом Стокбаргера в вакууме из сырья квалификации ОСЧ 5-3, марки МРТУ 6-09-786-63.

Примесь Eu₂O₃ марки EbO-1, ТУ 48-4-194-72 добавлялась в шихту в концентрациях 10^-2 мас.

Для создания центров окраски полученные кристаллы облучались γ-излучением изотопа СО⁶⁰ с экспозиционной дозой 1 ˙ 10⁷ рентген. На фиг.2 приведены спектры оптического поглощения активной среды, выполненной из фторида натрия, не содержащего примесей 4 и предложенной активной среды, выполненной из фторида натрия, содержащего примесь Eu₂O₃5. Из сопоставления кривых 1 и 2 видно, что концентрация активных центров, пропорциональная коэффициенту поглощения в предложенной активной среде выше, чем в известной.

На фиг.1 приведены спектры излучения известного активного материала 6 и предложенного 7. Сравниваемые образцы возбуждались модулированным светом лампы накаливания с галогенным циклом, пропущенным через монохроматор УМ-2 в полосе поглощения активных центров (λ= 0,74 мкм). Спектры излучения регистрировались через монохроматор МДР-23 фотодиодом ФД-09г и записывались потенциометром ЕZ-4.

Условия возбуждения и регистрации были идентичными. Из сопоставления кривых (1) и (2) видно, что интенсивность излучения рабочих центров в предложенном активном материале выше, чем в известном.

Благодаря введению примеси Eu₂O₃ в кристалле под действием ионизирующей радиации образуется большая концентрация активных центров, стабильных при КТ. В материале, взятом за прототип, образуются активные центры, нестабильные при КТ. Разрушение активных центров, нестабилизированных примесью, происходит при КТ в течение 6 ч. Для восстановления первоначальной концентрации центров необходима дополнительная обработка такого материала, например, повторное облучениея ионизирующим излучением.

Опытная проверка показала, что предложенные кристаллы устойчивы к действию влаги и при длительном хранении не меняют своих физико-химических свойств. На фиг.4 приведены спектры поглощения активных центров, измеренные после приготовления кристалла (кривая 8) и после хранения его при КТ в течение двух лет (кривая 9). Из рисунка видно, что оптические характеристики и, следовательно, концентрация активных центров при длительном хранении не меняются.

Основное преимущество предложенного активного материал от кристаллов LiF с центрами окраски, также генерирующих при КТ, состоит в более широком диапазоне плавной перестройки частоты. В ОКГ на основе кристаллов LiF с F₂⁺ центрами возможна плавная перестройка в диапазоне 0,88-1,26 мкм, тогда как использование предложенного материала позволяет расширить этот диапазон до 0,8-1,4 мкм.

Другим отличительным свойством материала NaF c центрами окраски является более высокая спектральная эффективность накачки по сравнению с LiF. Излучение рубинового лазера, которое используется для накачки названных кристаллов, попадает в "хвост" полосы поглощения активных центров в LiF и почти в максимум полосы поглощения активных центров в NaF. Благодаря этому возможно уменьшение размеров активного элемента, выполненного из NaF, при фиксированной мощности накачки.

Важным отличием кристаллов NaF от LiF является более низкая пороговая мощность накачки. Другие свойства этих кристаллов, такие как фототермическая устойчивость активных центров, простота изготовления и т.д. примерно одинаковы.

Таким образом, опытная проверка показала, что основная цель изобретения получение активной среды с повышенной концентрацией рабочих центров достигнута путем создания нового, по сравнению с прототипом, материала активной среды, отличающегося свойством более эффективно накапливать под действием ионизирующего излучения и сохранять рабочие центры.

Активный элемент, выполненный из предложенной активной среды, работает при комнатной температуре, устойчив к воздействию влаги, прост в эксплуатации. Благодаря более высокой, по сравнению с прототипом, концентрации активных центров, излучение накачки поглощается более эффективно, поэтому имеется возможность уменьшения активного элемента без снижения оптической мощности, либо имеется возможность повысить КПД генерации при тех же размерах активных элементов.

ЛАЗЕРНОЕ ВЕЩЕСТВО на основе фторида натрия с центрами окраски, отличающееся тем, что, с целью повышения концентрации рабочих центров, излучающих при комнатной температуре, в него введена окись европия Eu₂O₃ в следующей концентрации 1 · 10^-1 2 · 10^-2 мас.