АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА (ЕГО ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ЛАЗЕР Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к лазерам на центрах окраски в кристаллах. Оно может быть использовано для генерации немонохроматического лазерного излучения с широким спектром, необходимого для внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, а также для генерации перестраиваемого по частоте инфракрасного монохроматического лазерного излучения.

Известны активные элементы лазеров, выполненные в форме параллелепипеда, из щелочногалоидных кристаллов с примесью гомологических катионов, содержащих F_A- или F_B-центры окраски. Эти активные элементы позволяют плавно перестраивать частоту лазерного излучения в пределах полос люминесценции указанных центров.

Недостатком этих активных элементов является низкая рабочая температура, не превышающая 200 К, что связано с термическим тушением люминесценции центров окраски.

Известны активные элементы, выполненные из монокристаллов фторида лития, содержащих F₂⁺-центры, способные работать при комнатной температуре.

Недостатком этих активных элементов является сравнительно малая ширина спектральной области генерируемого излучения, ограниченная полосой испускания лишь F₂⁺-центров.

Близкими к предложенному являются активные элементы на основе монокристалла, содержащего центры окраски. Один из активных элементов выполнен в форме параллелепипеда из монокристалла, содержащего F₂⁺ и F₂^-центры окраски. Благодаря наличию двух типов генерирующих центров этот активный элемент обладает более широкой спектральной областью перестройки частоты генерации. Однако наличие второго типа центров повышает порог генерации центров первого типа.

Наиболее близким к предложенному является способ приготовления активных элементов твердотельных лазеров, включающий воздействие на заготовку активного элемента полем, формирующим в нем центры окраски. В ходе этой обработки в монокристаллах создаются центры окраски, являющиеся центрами лазерной генерации.

Активный элемент может быть использован в конструкции лазера, который содержит твердотельный активный элемент на центрах окраски, источник накачки, оптический резонатор.

Недостатком известного активного элемента, полученного известным способом, используемого в лазере известной конструкции, является ограниченный диапазон изменения выходных характеристик лазерного излучения и ограниченные возможности управления ими. Этот недостаток обусловлен постоянством свойств известных активных элементов во времени.

Цель изобретения состоит в увеличении диапазона изменения выходных характеристик лазерного излучения и расширении возможностей управления ими.

Поставленная цель достигается тем, что известный активный элемент на основе монокристалла, содержащий центры окраски, выполнен с изменяющейся концентрацией центров окраски в направлении, перпендикулярном к рабочей оси активного элемента: кроме того, он выполнен в форме цилиндра, а центры окраски в нем имеют градиент концентрации по окружности, а при способе приготовления активных элементов твердотельных лазеров, включающем воздействие на заготовку активного элемента полем, формирующим в нем центры окраски, заготовку активного элемента помещают в неоднородное поле, градиент которого направлен перпендикулярно к рабочей оси активного элемента; кроме того, в лазере, включающем твердотельный активный элемент на центрах окраски, источник накачки и оптический резонатор, активный элемент выполнен с изменяющейся концентрацией центров окраски в направлении, перпендикулярном к рабочей оси активного элемента, и снабжен устройством перемещения вдоль направления изменения концентраций.

На фиг.1 изображен вид активного элемента; на фиг.2 показана блок-схема лазера; на фиг.3 показан активный элемент, выполненный в форме цилиндрического диска; на фиг.4 показана схема лазера с вращающимся активным элементом; на фиг. 5 лазер с обратной связью; на фиг.6 схематично показано устройство для приготовления активных элементов.

В ходе исследований был изготовлен активный элемент лазера, показанный на фиг.1, выполненный из монокристалла фторида лития, в котором специальной обработкой были созданы F₂⁺ и F₂^-центры окраски. Активный элемент выполнен в форме параллелепипеда размером 20х10х7 мм. Концентрации центров окраски в активном элементе изменяются вдоль направления длинных граней параллелепипеда, о чем судили по изменению оптической плотности активного элемента в полосах поглощения центров окраски. Оптическая плотность в указанном направлении изменялась в F₂⁺-полосе от 0,75 до 0,56, а в F₂^--полосе от 0,10 до 0,19. Противоположные грани активного элемента размером 20х7 мм, через которые проходит рабочая ось 1, отполированы.

Работа описанного активного элемента была испытана в лазере, схема которого показана на фиг.2.

Лазер включает неселективный резонатор, образованный зеркалами 2, в котором размещается описанный активный элемент 3, источник накачки рубиновый лазер, устройство 4 для перемещения активного элемента. Для накачки активного элемента 3 использована внутрирезонаторная схема накачки, в которой активный элемент размещен в резонаторе рубинового лазера накачки, образованного зеркалами 5. Здесь же находится и рубиновый стержень 6 лазера накачки. Оптические оси резонатора лазера на центрах окраски и резонатора лазера накачки составляют угол 5-7^о. Активный элемент 3 размещен в области пересечения этих осей. Для излучения характеристик генерируемого излучения оно направлялось в спектрограф 7, имеющий фотоприставку 8. Использованный оптический резонатор имеет спектральную характеристику, ограниченную областью 0,882-1,25 мкм.

Лазерное излучение генерировали следующим образом.

Излучением рубинового лазера накачки накачивали активный элемент. Излучение накачки поглощалось F₂⁺-центрами, которые, возбуждаясь, испускали вынужденное и люминесцентное излучение. Это излучение, испущенное F₂⁺-центрами, перепоглощалось F₂^--центрами, которые также, вследствие этого, возбуждались. Возникающее в резонаторе лазерное излучение центров окраски подавалось в спектрограф. Развернутый спектрографом спектр генерируемого излучения фотографировался фотоприставкой. С целью вариации спектров генерируемого излучения, активный элемент перемещали.

Исследования показали, что с помощью одного описанного активного элемента, благодаря его перемещению, можно получить лазерное излучение различного спектрального состава. Достигалась генерация либо только в спектральной области 0,915-0,990 мкм, либо только в области 1,026-1,094 мкм, либо одновременно в двух областях 0,93-0,97 и 1,025-1,093 мкм.

Результаты этих исследований показали, что в различных участках активного элемента, отличающихся соотношением концентраций F₂⁺ и F₂^--центров, спектры генерации различны.

Кроме изменений соотношений интенсивностей полос излучения центров равных типов наблюдается и смещение этих полос. Это может быть использовано для расширения общего спектра генерируемого излучения. Для этого активный элемент перемещают непрерывно при непрерывной накачке. В этом случае общий спектр представляет собой наложение спектров генерации от различных участков активного элемента, следовательно, он более широк. При этом способе генерации удобнее использовать активный элемент, выполненный в форме цилиндра 9 (фиг. 3), концентрации F₂⁺- и F₂^--центров окраски в котором меняются вдоль окружности. Отношение оптической плотности активного элемента в полосе F₂⁺- к оптической плотности в F₂^--полосе изменяется при этом от 1,3 до 100. Основания цилиндра отполированы, генерация развивается вдоль линии оси 10 вблизи боковой поверхности цилиндра, а цилиндр вращается вокруг оси 11.

На основе этого активного элемента построен лазер (фиг.4), включающий данный активный элемент 12, размещенный в неселективном оптическом резонаторе, образованном зеркалами 13, источник накачки рубиновый лазер 14, работающий в частотном режиме с частотой следования импульсов f₁, устройство 15 для вращения активного элемента с частотой f₂. Излучение накачки направлено на активный элемент 12 под углом 5-7^о к оси резонатора.

С помощью данного активного элемента в данном лазере излучение генерирует следующим образом.

Активный элемент накачивают излучением лазера накачки 14. Активный элемент 12 вращают с помощью устройства 15, частоты накачки и вращения выбирают с учетом неравенства f₁ >> f₂. Спектры излучения генерируемого в различных участках кристалла с различным соотношением концентраций F₂⁺ и F₂^--центров различны. Они были измерены с помощью спектрографа 16 с фотоприставкой 17. Данные для четырех точек активного элемента, т.е. для четырех соотношений концентраций, представлены в табл.1.

При измерении спектра в течение интервала времени, большего 1/f₂, суммарный спектр генерируемого излучения в данном варианте неселективного резонатора занимает области 0,884-0,993 и 1,049-1,165 мкм, т.е. он более широк, чем при неподвижном активном элементе. Таким образом, при данном способе генерация лазерного излучения с помощью активного элемента с неоднородным распределением центров окраски достигается расширением спектра лазерного излучения.

В другом лазере использован активный элемент, выполненный в форме параллелепипеда из монокристалла фторида лития, содержащего F₂⁺ и F₂^--центры. Концентрации этих центров изменяются в направлении длинных ребер параллелепипеда таким образом, что отношение оптических плотностей в F₂⁺ и F₂^--полосах изменяется от 1,2 до 9,0.

Авторами установлено, что отношение интенсивностей полос генерации F₂⁺ и F₂^--центров зависит от интенсивности излучения лазера накачки. Следовательно, уход интенсивности излучения накачки приводит к отклонению отношения интенсивностей полос генерации от заданного отношения. Это отклонение можно устранить перемещением активного элемента, обладающего градиентом концентраций рабочих центров. Возможность достижения этого результата подтверждена экспериментом.

Еще один активный элемент был выполнен из монокристалла фторида лития, содержащего F₂^--центры. Он выполнен в форме параллелепипеда размером 10х16; 5х62 мм. Две противоположные грани размером 10х62 мм отполированы. Оптическая плотность активного элемента в F₂^--полосе изменяется в направлении длинных ребер этих граней от 0,05 до 1,37.

На основе этого активного элемента построен лазер, схема которого приведена на фиг.5. В этом лазере активный элемент 18 размещен в оптическом резонаторе, составленном зеркалами 19 и 20. В качестве источника накачки использован неодимовый лазер 21. Имеются датчик интенсивности генерируемого излучения 22, система обратной связи 23, исполнительный механизм 24 перемещения активного элемента 18. Излучение лазера накачки 21 с длиной волны 1,06 мм и частотой импульсов 25 Гц через зеркало 20, которое прозрачно на этой длине волны, направлено на активный элемент 18. Выход датчика 22 соединен с системой обратной связи 23.

В данном лазере может быть реализован способ генерации, позволяющий автоматически поддерживать постоянной интенсивность выходного лазерного излучения F₂^--центров. При осуществлении этого способа активный элемент 18 накачивают излучением источника накачки. Интенсивность выходного излучения регистрируют датчиком. Сигнал датчика подают на систему обратной связи. При уменьшении интенсивности излучения, например, вследствие нестабильности источника накачки, система обратной связи вырабатывает управляющий сигнал, который, поступая на исполнительный механизм, вызывает перемещение активного элемента перпендикулярно к оси резонатора. В результате этого в работу включается другой участок активного элемента, где концентрация центров выше. При этом возрастает энергия, поглощаемая активным элементом от источника накачки, и, следовательно, растет интенсивность генерируемого излучения. Это сопровождается снижением величины управляющего сигнала. Перемещение активного элемента будет происходить до тех пор, пока интенсивность выходного излучения не возвратится к исходному уровню.

Возможность осуществления данного способа подтверждается результатами эксперимента, которые приведены в табл.2.

Из данных табл.2 следует, что при снижении энергии накачки с 576 до 360 отн. ед. достаточно переместить активный элемент от точки l 48 мм к точке l 51,4 мм, чтобы восстановить первоначальную интенсивность I выходного излучения, равную 64 отн.ед.

Другой активный элемент выполнен из монокристаллического твердого раствора NaF-NaOH (0,5 моль.), содержащего центры окраски. Он выполнен в форме параллелепипеда размером 25х15х10 мм. Грани размером 25х15 мм отполированы. Центры окраски, созданные в этом активном элементе, имеют градиент концентраций в направлении ребер параллелепипеда длиной 25 мм. Об этом свидетельствовали результаты измерения оптической плотности в различных точках активного элемента, которая на длине волны накачки (0,95 мкм) изменялась от 0,39 (l 2 мм) до 0,58 (l 23 мм).

Данный активный элемент испытан в схеме лазера, изображенной на фиг.4. Отличие состояло в использовании в качестве источника накачки лазера на основе фторида лития, содержащего F₂⁺-центры окраски. Кроме того, использовалось устройство линейного перемещения активного элемента перпендикулярно к оси резонатора. Лазер накачки генерировал излучение в области 0,95 мкм. Это излучение было выбрано для накачки потому, что рабочие центры окраски в исследуемом активном элементе устойчивы к действию этого излучения. При накачке возникало лазерное излучение исследуемого активного элемента. Перемещение активного элемента перпендикулярно к оси резонатора позволяло плавно регулировать мощность и ширину спектра выходного излучения, а также стабилизировать мощность выходного излучения при нестабильности энергии или мощности накачки. Этот результат подтвержден экспериментом. Те же результаты могут быть достигнуты при выполнении активного элемента в форме цилиндрического диска с градиентом концентрации центров по окружности диска.

Следующий активный элемент выполнен из монокристалла твердого раствора LiF-MgF₂-LiOH, содержащего центры окраски, обладающие полосой оптического поглощения с максимумом в области ≈ 0,64 мкм. Соотношение компонентов составляло 0,995-0,003-0,002 мол.ч. соответственно. Активный элемент выполнен в форме параллелепипеда размером 60х50х10 мм. Противоположные грани размером 60х10 мм отполированы. Благодаря облучению заготовки активного элемента в неоднородном поле γ-излучения концентрация центров окраски вдоль направления длинных ребер активного элемента изменялась от 1,6 ˙ 10¹⁶ до 4,0 ˙ 10¹⁵ см^-3, о чем свидетельствовало изменение оптической плотности на длине волны накачки 0,694 мкм от 0,84 до 0,21.

При накачке данного активного элемента излучением рубинового лазера в схеме, изображенной на фиг.4, возникает лазерное излучение. Путем перемещения активного элемента перпендикулярно к оси резонатора, можно плавно регулировать или стабилизировать ширину спектра генерируемого излучения и его мощность. Это подтверждено экспериментом.

Аналогичные результаты могут быть достигнуты и при выполнении активного элемента из данного материала в форме цилиндрического диска с соответствующим изменением концентрации центров от 1,6 ˙ 10¹⁶ до 4,0 ˙ 10¹⁵ вдоль окружности диска.

Предложенные активные элементы могут быть изготовлены и из любых других монокристаллов, содержащих центры окраски, которые обладают способностью генерировать лазерное излучение.

Предложенные активные элементы были приготовлены рядом способов. Один из них состоит в следующем.

Из исходного монокристалла выкалывают заготовку размером 60х50х10 мм. Заготовку помещают в неоднородное поле γ-излучения изотопа СО⁶⁰ таким образом, чтобы градиент поля был направлен вдоль ребер заготовки длиной 60 мм. Доза излучения в области одной грани размером 10х50 мм была равной 1,3 ˙ 10⁶ рентген, а в области противоположной грани 2 ˙ 10⁷ рентген. После накопления этих доз кристаллы выдерживают в течение до месяца для завершения переходных процессов преобра- зования центров окраски. Затем проводят полировку граней размером 60х10 мм.

Этим методом, в частности, приготовлен описанный активный элемент на основе монокристалла LiF-MgF₂-LiOH.

Концентрация генерирующих центров в этом активном элементе изменялась от 1,6 ˙ 10¹⁶ до 4 ˙ 10^-15 см^-3, что найдено по изменению оптической плотности активного элемента, измеренной с помощью спектрометра.

Еще один использованный способ приготовления активных элементов состоит в следующем.

Исходный монокристалл облучают γ-излучением изотопа СО⁶⁰ с дозой 7 ˙ 10⁷ рентген, из облученного монокристалла выкалывают заготовку активного элемента размером 25х15х10 мм. Грани размером 25х15 полируют. Затем подвергают заготовки облучению лазерным излучением с градиентом оптического поля. Для этого используют излучение рубинового лазера ОГМ-20, которое способно преобразовывать центры окраски, возникшие в кристалле при γ-облучении. Для создания необходимого градиента поля кристалл облучают сериями импульсов перпендикулярно к граням 25х15 мм. После каждой серии кристалл перемещают на 2,5 мм в направлении длинных ребер и одновременно увеличивают каждый раз число импульсов в серии на 3, начиная облучение с 1 импульса и заканчивая его 22 импульсами. Этим методом был приготовлен активный элемент на основе монокристалла NaF-NaOH, описанный выше, в котором оптическая плотность центров окраски на длине волны накачки 0,694 мкм изменялась от 0,39 до 0,58.

Активный элемент из данного монокристалла с аналогичными характеристиками может быть приготовлен способом, включающим обработку облученного монокристалла в градиентном температурном поле.

Этот способ состоит в следующем. Монокристалл размером 10х16,5х62 мм облучают γ-излучением изотопа СО⁶⁰ с экспозиционной дозой 5 ˙ 10⁸ рентген. Затем в монокристалле создают градиент температуры, поддерживая комнатную температуру 290 К одной грани кристалла размером 10х16,5 мм и нагревая противоположную грань до 630 К. В таком состоянии кристалл выдерживают до тех пор, пока не исчезает видимая окраска в части кристалла, прилегающей к нагревателю. Затем монокристалл охлаждают до комнатной температуры. В результате термического преобразования центров окраски рабочие центры оказались распределенными неравномерно вдоль ребер кристалла длиной 65 мм. Результаты экспериментального исследования концентраций F₂^- центров для монокристалла фторида лития, облученного γ-излучением с дозой 5 ˙ 10⁸ рентген, приведены в табл.3.

Полученный этим способом активный элемент был использован для генерации лазерного излучения на F₂^--центрах.

Этот способ приготовления активных элементов был реализован с помощью устройства, показанного на фиг.6. Оно включает нагреватель 25, термостат 26, механизм 27 поджатия рабочих поверхностей нагревателя и термостата к граням кристалла, термоизоляционный асбестовый экран 28. В качестве нагревателя использована электроплитка, питаемая от автотрансформатора. Ее температура измерялась термопарой. Термостат представляет собой стальную плитку, внутри которой по специальным каналам циркулировала охлаждающая жидкость. Экран 28 в верхней части, прилегающей к нагревателю, имел два отверстия для наблюдения за преобразованием центров окраски. Во время работы монокристалл 29 устанавливают между нагревателем и термостатом, которые поджимаются к граням кристалла с помощью механизма 27. Устанавливаются необходимые температуры нагревателя и термостата и монокристалл выдерживается в таком состоянии в течение времени, необходимого для преобразования центров окраски.

Предложенное изобретение расширяет диапазон изменения выходных характеристик лазерного излучения и дает новые возможности для управления ими.

В частности, оно позволяет более просто смещать спектры генерируемого излучения и расширять их, дает дополнительные возможности для стабилизации интенсивности выходного излучения, стабилизации соотношения интенсивностей спектральных полос выходного излучения, упрощает автоматизацию этих процессов.

1. Активный элемент лазера на основе монокристалла, содержащего центры окраски, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона изменения выходных характеристик лазерного излучения и расширения возможностей управления ими, он выполнен с изменяющейся концентрацией центров окраски в направлении, перпендикулярном к рабочей оси активного элемента. 2. Активный элемент лазера на основе монокристалла, содержащего центры окраски, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона изменения выходных характеристик лазерного излучения и расширения возможностей управления ими, он выполнен в форме цилиндра, а центры окраски в нем имеют градиент концентрации по окружности. 3. Способ приготовления активных элементов твердотельных лазеров, включающий воздействие на заготовку активного элемента полем, формирующим в нем центры окраски, отличающийся тем, что заготовку активного элемента помещают в неоднородное поле, градиент которого направлен перпендикулярно к рабочей оси активного элемента. 4. Лазер, включающий твердотельный активный элемент на центрах окраски, источник накачки, оптический резонатор, отличающийся тем, что активный элемент выполнен с изменяющейся концентрацией центров окраски в направлении, перпендикулярном к рабочей оси активного элемента, и снабжен устройством перемещения вдоль направления изменения концентраций.