монокристаллический материал для лазеров ик-диапазона

Формула изобретения

Монокристаллический материал для лазеров ИК-диапазона на основе ортобората скандия с активатором, отличающийся тем, что в качестве активатора он содержит эрбий или эрбий и иттербий, или эрбий, иттербий и хром в соответствии с химической формулой

Sc_1-x M_xBO₃

где 0 < х 0,4, а М активатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материалам для лазерной техники, а именно к лазерным монокристаллическим материалам, предназначенным для получения активных элементов твердотельных лазеров 1,5-микронного диапазона генерации.

Лазерное излучение с длиной волны 1,5 мкм крайне важно для науки и технологии. Это излучение соответствует минимуму потерь в кварцевых световодах, применяемых сегодня практически во всех областях техники, требующих передачи оптического излучения на расстояние, например в кабельной оптической связи. Известен лазерный скальпель с длиной волны 2,8 мкм. Такое излучение весьма подходяще с точки зрения взаимодействия с тканями человека, однако оно сильно поглощается кварцевыми световодами, что создает большие технические трудности в передаче излучения от квантрона к скальпелю. Замена излучения с длиной 2,8 мкм на 1,5-микронное не ухудшает взаимодействия с тканями и позволяет улучшить условия проведения операций за счет выноса излучающей головки с одновременным снижением потерь, кроме того, что 1,5-микронное излучение наименее опасно для зрения (порог повреждения 0,8 Дж). С этой точки зрения оно перспективно для применения в офтальмологии.

По этой же причине представляется возможным заменить неодимовые лазеры (l 1,06 мкм), опасные для зрения, в технологии обработки металла, дальнометрии, локации и других областях техники.

Применение 1,5 мкм излучения в областях, где свет распространяется в атмосфере Земли, весьма выгодно, поскольку воздух имеет "окно прозрачности" в области 1,5 мкм.

Известны активные среды на основе щелочно-галлоидных кристаллов MgO и MgF₂ с примесями ионов Co²⁺, Ni^{2 +} , V²⁺, позволяющие получать стимулированное излучение в области 1,2 1,8 мкм [1] Однако применение таких сред сложно, поскольку рабочая температура составляет 77 К.

Известны активные среды на основе алюмоиттриевого граната [2] и ортосиликата иттрия [3] с хромом, генерирующие в области 1,36 1,45 и 1,2 1,46 мкм соответственно.

Известна активная среда на основе алюмоиттриевого граната с активаторами иттербием и эрбием Y₃Al₅O₁₂:Yb,Er, генерирующие в области 1,54 мкм [4] Она характеризуется низким КПД генерации (менее 0,01%) и крайне высоким порогом генерации (200 Дж). Низкая эффективность таких сред обусловлена эффектом так называемого "обратного переноса" и плохим спектральным согласованием среды и лампы накачки. Сильно выраженный обратный перенос с ионов эрбия на иттербий обусловлен неподходящим составом матрицы, а плохое спектральное согласование недостатками активаторного состава.

В известной научной литературе отсутствуют другие сведения об активных монокристаллических средах, содержащих в качестве одного из активаторов эрбий и генерирующих излучение с длиной волны 1,54 мкм [5, 6]

Наиболее близким аналогом является монокристаллический материал на основе ортобората скандия с активатором хромом. Ее недостатком является малая длина волны стимулированного излучения (около 0,79 0,89 мкм) [7, 8]

Изобретение направлено на расширение диапазона генерации монокристаллического материала на основе ортобората скандия с активатором.

Это достигается тем, что монокристаллический материал для лазеров ИК-диапазона на основе ортобората скандия в качестве активатора содержит эрбий или эрбий и иттербий, или эрбий, иттербий и хром в соответствии с химической формулой

Sc_1-xM_xBO₃,

где 0<x0,4, а M активатор.

На фиг. 1 приведен спектр монокристаллического материала Sc_0,948Yb_0,05Cr_0,002BO₃ в области поглощения иттербия; на фиг. 2 спектр поглощения в видимой области материала Sc_0,935Yb_0,05Er_0,01Cr_0,005 BO₃; на фиг. 3 спектры поглощения и люминесценции материала Sc_0,935 Yb_0,05Er_0,01Cr_0,005BO₃.

Если требуется получить генерацию с длиной волны 1,54 мкм при помощи накачки лазерным n-n диодом или иного типа когерентной накачки с узкой спектральной линией при возбуждении в одну из штарковских компонент переходов трехвалентного иона эрбия, то в качестве активатора достаточно взять эрбий в указанном пределе. Если источником накачки служит лазерный n-n диод с длиной волны из области 0,9 1 мкм, но не совпадающей ни с одной из узких линий поглощения эрбия ⁴I_15/2__ ⁴I_11/2 или светоизлучающий диод с широкой полосой излучения в области 0,8 1 мкм, то в качестве активатора нужно взять эрбий и иттербий в указанном пределе и произвольном соотношении. Энергия накачки в этом случае поглощается в среде за счет переходов ²F_7/2__ ²F_5/2 ионов Yb³⁺ (см. фиг. 1), а затем передается ионам Er³⁺ на уровень ⁴I_11/2.

Если источником накачки является импульсная газоразрядная лампа с широкой полосой излучения в видимой и ближней ИК-области, то в качестве активатора выбирают эрбий, иттербий и хром в произвольном соотношении, но в указанном пределе. Энергия накачки здесь главным образом поглощается ионами хрома (фиг. 2), а затем передается ионам Er³⁺ по схеме Cr_Yb__Er. Во всех случаях возбуждение в конечном счете оказывается на уровне ₄I_11/2 иона Er³⁺.

Монокристаллический материал может быть получен различными способами. В частности для опытной проверки заявляемого материала использовали метод Чохральского из иридиевых тиглей в инертной атмосфере. Шихту получали смешением оксидов скандия и бора квалификации СКО-3 и ОСЧ соответственно и оксидов активатора с тщательным перемешиванием и прессованием в таблеты. Спекание производили при 1300^oC в течение 8 10 часов. Скорость вытягивания составляла 1 3 мм/час и выбиралась обратно пропорционально содержанию эрбия, иттербия и хрома. Примеры монокристаллов, полученных описанным способом, сведены в табл. 1.

Матрица Sc_1-xM_xBO₃ содержит в своем составе ионы бора и имеет протяженный фононный спектр (см. табл. 2), поэтому в результате многофононной безызлучательной релаксации возбуждения быстро за время менее 0,1 мкс релаксируют на лазерный уровень ⁴I_13/2 иона Er³⁺. Быстрая многофононная релаксация ⁴I_11/2__ ⁴I_13/2 практически полностью предотвращает обратный перенос энергии Er__ Yb. Время жизни лазерного уровня ⁴I_13/2, несмотря на развитую многофононную релаксацию, остается достаточным как для полупроводниковой, так и ламповой накачки и составляет 400 мкс.

Важную роль играет также схема генерации Er³⁺ с уровня ⁴I_13/2, которая в предлагаемой активной среде является квазичетырехуровневой. Это наглядно демонстрируют спектры поглощения и люминесценции на фиг. 3. Квазичетырехуровневость 1,5-микронной генерации Er³⁺ в данной среде и отсутствие обратного переноса являются основой полученного эффекта стимулированного излучения и определяют высокую эффективность генерации.

В табл. 2 и 3 приведены основные физические, спектрально-люминесцентные и генерационные параметры монокристаллического материала. Монокристаллы по пп. 3, 7 и 11 (табл. 1) имеют из-за большого содержания активаторов низкое оптическое качество и не могут применяться для изготовления лазерных элементов. Рентгенофазовый анализ показал, что дифрактограммы с узкими рефлексами имеют кристаллы по примерам 6 и 9, что говорит о высоком совершенстве их кристаллической структуры. Они обладают высоким оптическим качеством и требуемыми размерами. Такие кристаллы близки к оптимальным для изготовления элементов лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой.

Для проведения генерационных испытаний из кристалла Sc_0,935Cr_0,005Vb_0,03Er_0,03BO ₃ был изготовлен лазерный элемент диаметром 3 и с длиной засвечиваемой части 35 мм с непросветленными торцами, который помещается в осветитель К-104 К с импульсной лампой ИНП-5/60-1. Резонатор был образован одним плоским и одним вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 1 м и коэффициентом пропускания на длине волны 1,54 мкм 0,95. Осциллограммы импульса накачки и генерации регистрировали при помощи фотодиодов ФД-5Г, ЛФД-2 и осциллографа С1-79. Энергию импульса генерации регистрировали измерителем мощности ИМО-3. В таких условиях была зафиксирована генерация в импульсном режиме с частотой следования 20 Гц и энергией порога генерации около 20 Дж.

При небольшом превышении над порогом энергия генерации составила 0,05 Дж, что соответствует абсолютному КПД примерно 0,2% Была зафиксирована длина волны генерации 1,54 мкм.

Как видно, предлагаемый монокристаллический материал на основе ортобората скандия может быть применен в лазерах ИК-диапазона, при этом КПД его в 20 раз больше, чем у известных эрбиевых.