Способ приготовления лазерной среды на центрах окраски на основе кристалла al2o3

 

Изобретение относится к области квантовой электроники, к методам получения кристаллических лазерных сред. Цель изобретения - снижение оптических потерь при одновременном увеличении концентрации центров 0,68 мкм. Способ приготовления лазерной среды включает облучение кристалла быстрыми нуклонами или ускоренными ионами, термообработку и обработку оптическим излучением. Кристалл облучают во время термообработки ускоренными электронами, энергию электронов устанавливают в диапазоне 0,35 - 4,8 МэВ. Затем кристалл подвергают воздействию оптическим излучением в интервале длин волн 0,29 - 0,33 мкм; плотность мощности оптического излучения находится в диапазоне 0,0025 - 280 МВт/см². 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к методам получения кристаллических оптических материалов на центрах окраски. Полученные предложенным способом лазерные среды могут быть использованы для изготовления лазерных элементов, генерирующих широко перестраиваемое лазерное излучение в инфракрасной области спектра, а также пассивных лазерных затворов для модуляции добротности мощных лазеров, и других оптических элементов квантовой электронной техники. Цель изобретения - снижение оптических потерь при одновременном увеличении концентрации рабочих центров. В способе облучают кристалл Al₂O₃ ускоренными электронами во время его термообработки. Это позволяет не только осуществить преобразование центров окраски (ЦО), предварительно наведенных нейтронным облучением, но и препятствует образованию широкого пьедестала в спектрах поглощения, обусловленного коллоидами алюминия, вносящими потери генерации лазерного излучения. При облучении нейтронноокрашенных кристаллов Al₂O₃электронами наблюдается увеличение концентрации нейтральных ЦО, проявляющихся в спектре оптического поглощения на λ= 0,305 мкм и однократно положительно заряженных рабочих ЦО (0,36 и 0,68 мкм), При воздействии светом в полосу 0,305 мкм облученных нуклонами и электронами во время термообработки кристаллов Аl₂O₃ имеет место ионизация нейтральных дефектов с образованием положительно заряженного центра с максимумами поглощения λ=0,36 и 0,68 мкм, генерирующего инфракрасное излучение в спектральной области 0,76-0,88 мкм. Область длин волн оптического излучения, которое может быть использовано для ионизации центров 0,305 мкм, определяется шириной полосы поглощения нейтральных центров (0,29-0,33 мкм, использование λ< 0,29 и λ > 0,33 мкм не целесообразно, так как при этом имеет место преобразование других ЦО, в частности оптическое обесцвечивание рабочих ЦО. Эффективное преобразование этих дефектов в положительно заряженные центры начинается с плотности мощности 0,0025 МВт/см². Оптическое преобразование в предложенном способе осуществляется некогерентным светом ксеноновой лампы. Для ускорения процесса преобразования необходимо повышение плотности мощности. Верхняя граница плотности мощности определяется порогом поверхностного разрушения кристалла, равным 280 МВт/см². Поэтому диапазон плотности мощности лежит в интервале 0,0025-280 МВт/см². Граничные значения энергии электронов определяются размерами лазерных элементов. Уменьшение энергии электронов < 0,36 МэВ приводит к сокращению глубины проникновения электронов в кристалл. Например, электроны с энергией 300 кэВ проникают в кристалл α= Al₂O₃ на глубину 205 мкм (0,02 см), При облучении с двух сторон размер лазерного элемента будет 0,04 см, что усложняет работу с ним при юстировке и настройке лазера. При энергии электронов 4,8 МэВ глубина их проникновения составила 0,25 см. В дальнейшем увеличении размера лазерного элемента нет необходимости. П р и м е р 1. Для реализации способа методом Вернейля были выращены монокристаллические були Al₂O₃ в форме цилиндров. Затем обычным методом находилась ориентация оптической оси в этих монокристаллах. Далее из них вырезались заготовки лазерных сред в виде параллелепипедов размерами 0,4х10х15 мм³x5х10х15мм³. Заготовки вырезались таким образом, чтобы ребра параллелепипеда длиной 15 мм были ориентированы по оптической оси кристалла. Приготовленные заготовки упаковывались в контейнеры, которые размещались для облучения в активной зоне ядерного реактора ИР-8. Плотность потока нейтронов с энергией выше 0,1 МэВ составляла 2х10¹² н/см² с, продолжительность облучения для одного контейнера была 140 ч. Общая доза облучения - 1х10¹⁸ Н/см². После облучения кристаллы выдерживались в течение 1 месяца для спада наведенной радиоактивности. Затем, с помощью спектрофотометра "Specord М-40" измерялись спектры поглощения облученных кристаллов. За концентрацией рабочих центров излучающих в инфракрасной области спектра, следили по коэффициенту поглощения в одном из максимумов на длине волны λ= 0,36 мкм. После этого с помощью электронагревателя и ускорителя электронов проводилось облучение кристалла во время термообработки. Оптимальные параметры термообработки для увеличения концентрации ЦО: 0,36 мкм - прогрев при Т = 400^оС в течение 20 мин. Ускоритель электронов работал в следующем режиме: энергия электронов 0,35 МэВ, плотность тока - 2 кА/см², длительность импульса < 5 нс, частота следования импульсов - 0,06 Гц. После этих операций измерялся спектр поглощения. После описанных выше операций значительно увеличена концентрация нейтральных дефектов (0,305 мкм) и рабочих центров (0,36 мкм) при одновременном снижении сплошного фона оптического поглощения, обусловленного коллоидами Al^o создающими потери в лазерной среде. Затем, проводилось облучение кристалла светом импульсной ксеноновой лампы ИСШ-500 через светофильтр ЖС-2, пропускающий свет в полосе 0,305 мкм. Ионизация центров - 0,305 мкм имеет место уже при плотности мощности излучения 0,0025 МВт/см². В данном примере устанавливалась плотность мощности излучения - 0,04 МВт/см². Кристалл облучался импульсами света с τ≈1 мкс и частотой следования 1 Гц в течение 5 ч. После этого измерялся спектр поглощения. Этой операцией завершается процесс приготовления лазерной среды, которая характеризуется низкими потерями в области генерации рабочих центров, о чем свидетельствует отношение концентрации рабочих центров (К_{0,68 мкм} = 2,95 см^-1) к оптическим потерям ( ρ_{0,76 мкм} = 0,145 см^-1) равное К/ ρ= 20,32. П р и м е р 2. В другом варианте способа последовательность проведения и режим операций аналогичны способу, описанному в примере 1. Изменялась только доза нейтронного облучения (2,5˙10¹⁷ н/см²). Была получена лазерная среда, характеризующаяся отношением К_0,68/ρ_0,76 = 1,28/0,089 = 14,4). П р и м е р 3. В другом примере кристалл Al₂O₃, подготовленный, как описано выше, облучается на ускорителе ускоренными ионами алюминия. Энергия ионов 300 МэВ. Плотность потока 1˙10¹² част./см² с. Продолжительность облучения 3 ч. Общая доза облучения 1,1˙10¹⁶ионов/см². После выдержки кристалл во время термообработки при Т = 380^оС в течение 12 с облучают сильноточными импульсами электронов с частотой следования импульсов 6 Гц. Остальные параметры пучка электронов совпадают с режимом облучения в примере 1. После этих операций в кристалле увеличивается концентрация нейтральных дефектов (0,305 мкм) и снижаются оптические потери на длине волны накачки и генерации рабочих ЦО. Затем проводится лазерная обработка кристалла. Для этого он облучается сфокусированным излучением эксимерного лазера на молекуле XeCl с λ= 0,308 мкм при средней мощности 100 Вт в течение 3 мин. Этот способ приводит к возрастанию в кристалле концентрации рабочих ЦО, генерирующих излучение в инфракрасной области спектра при одновременном понижении оптических потерь. П р и м е р 4. Исходный монокристалл Al₂O₃ (размерами 2 (3х10х15) мм² с помощью протонного ускорителя облучают ускоренными протонами с энергией 250 МэВ. Плотность потока протонов устанавливалась 2˙10¹³част./см² с продолжительность облучения - 2 ч. При этом общая доза облучения равна 1,4˙10¹⁷ прот. /см². Затем, кристалл во время термообработки при Т = 300^оС в течение 3 мин облучают на ускорителе электронов с параметрами пучка: ток I А, длительность импульса 5˙10^-4 с, частота следования импульсов 50 Гц, энергия электронов 2 МэВ. Глубина проникновения электронов 1,5 мм. После этих операций кристалл подвергают обработке излучением импульсной лампы ИСШ-500 в течение 4 ч. Это приводит к падению концентрации центров (0,305 мкм) и увеличению положительно заряженных дефектов (0,36 и 0,38 мкм) при одновременном уменьшении оптических потерь. Таким образом, данный способ(К_0,68/ρ_0,76=20,3) по сравнению с прототипом(К_0,68/ρ_0,76= 6,82) позволяет улучшить соотношение между концентрацией активных центров и оптическими потерями в среде, что позволяет снизить порог генерации и уменьшить размеры лазерных элементов и ПЛЗ на основе этих материалов. Кроме того, лазерная обработка в прототипе может быть заменена облучением заготовок светом ксеноновой лампы, что значительно удешевляет затраты на приготовление лазерных сред.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ НА ЦЕНТРАХ ОКРАСКИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА Al*002O*003, включающий облучение кристалла быстрыми нуклонами или ускоренными ионами, термообработку и обработку оптическим излучением, отличающийся тем, что, с целью снижения оптических потерь при одновременном увеличении концентрации рабочих центров, кристалл облучают во время термообработки ускоренными электронами с энергией 0,35 - 4,8 МэВ, а затем подвергают воздействию оптическим излучением с длиной волны 0,29 - 0,33 мкм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность мощности оптического излучения выбирают в интервале 0,0025 - 280 МВт/см².