Монокристаллический лазерный материал на основе оксисиликатов редкоземельных элементов

 

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности, к монокристаллам для иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, перестраиваемых в диапазоне 1-1,08 мкм с диодной накачкой, и для получения лазерной генерации в режиме сверхкоротких импульсов. С целью адаптации иттербиевых лазеров к существующей элементной базе предлагается монокристаллический лазерный материал на основе оксисиликатов редкоземельных элементов с трехвалентным иттербием в качестве активатора в соответствии с химической формулой MRe_4-xYb_x(SiO₄)₃O, где М - кальций (Са) или стронций (Sr), Re - иттрий (Y), гадолиний (Gd), лантан (La); а 0,01≤х≤4, излучающий на длине волны около 1,064 мкм, с полушириной полосы люминесценции около 70 нм, длительностью лазерных импульсов порядка 10 фс, полушириной люминесцентной области перестройки 40 нм. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности, к монокристаллам для иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, перестраиваемых в диапазоне 1-1,08 мкм с диодной накачкой и для получения лазерной генерации в режиме сверхкоротких импульсов.

Известны монокристаллические лазерные материалы, показывающие эффект генерации излучения с длиной волны около 1,064 мкм [1]. Среди них выделяется Nd: Y₃Al₅O₁₂ (Nd: YAG) как наиболее эффективный и технологичный. Лазеры на кристаллах Nd:YAG, излучающие на длине волны 1,064 мкм, получили широчайшее распространение во всем мире. Но структура лазерных уровней иона Nd³⁺ не позволяет достичь предельной квантовой эффективности преобразования излучения накачки из-за стоксовых потерь, потерь на перепоглощение и кооперативных эффектов. По сравнению с неодимом иттербий имеет меньший стоксов сдвиг, а следовательно, позволяет достигать большей предельной эффективности преобразования (оптическая квантовая эффективность 91%). Большое радиационное время перехода и малое сечение излучения препятствуют суперлюминесценции. Большие потери на длине волны генерации по сравнению с неодимом, обусловленные термическим заселением соответствующего штарковского компонента нижнего мультиплета, судя по некоторым сообщениям [2], сказываются положительно на качестве пучка лазеров с диодной накачкой.

Среди материалов, активированных ионами трехвалентного иттербия, выделяются как наиболее эффективный Yb:Y₃Al₅O₁₂ (Yb:YAG) [2,3], позволяющий получать генерацию на ионах иттербия с длиной волны 1,03 мкм. К недостаткам этого материала относится большое расхождение в длине волны генерации с наиболее распространенными на данный момент неодимовыми лазерами, излучающими на длинах волн около 1,064 мкм, что осложняет адаптацию существующего оборудования к новой длине волны излучения.

Наиболее близким к заявляемому материалу аналогом является монокристаллический лазерный материал, соответствующий формуле MRe_4-xNd_x(SiO₄)₃O, где М - кальций (Са) или стронций (Sr), Re - иттрий (Y), гадолиний (Gd), лантан (La) [1] , позволяющий получать генерацию с длиной волны 1,061 мкм. К недостаткам этого материала относятся концентрационное тушение люминесценции и высокие стоксовы потери, что обусловлено наличием ионов Nd³⁺ Технической задачей является получение монокристаллического лазерного материала на длине волны вблизи 1,064 мкм, обладающего малым стоксовым сдвигом и широкими полосами люминесценции.

Для решения технической задачи предлагается монокристаллический материал на основе МRe_4-xYb_x(SiO₄)₃О, где М - кальций (Са) или стронций (Sr), Re - иттрий (Y), гадолиний (Gd), лантан (La), а 0,01≤х<4.

Выбор в качестве активатора ионов трехвалентного иттербия позволяет получить монокристаллический материал с длиной волны генерации вблизи 1,064 мкм, полушириной люминесцентной перестройки порядка 40 нм.

На фиг. 1 представлены спектры люминесценции a) SrY_3,7Yb_0,3(SiO₄)₃O(Yb: SYS) и б) СаGd_3,7Yb_0,3(SiO₄)₃О(Yb:CGS); на фиг.2 - спектр коэффициента усиления, построенный для лазерного монокристалла SrY_3,7Yb_0,3(SiO₄)₃O; на фиг.3 - спектр сечения усиления, построенный для лазерного монокристалла СаGd_3,97Yb_0,03(SiO₄)₃О.

Кристаллы выращены методом Чохральского из иридиевого тигля диаметром 30 мм со скоростью 2 мм/ч.

Пример 1.

Смесь мелкодисперсных высокочистых (марка ОСЧ) оксидов, г: Оксид стронция (SrO) - 7,3454 Оксид иттрия (Y₂О₃) - 29,6131 Оксид иттербия (III) (Yb₂О₃) - 4,1904 Оксид кремния (SiO₂) - 12,7790 тщательно перемешивали, прессовали в таблеты и помещали в муфельную печь, где при температуре 920^oС проводили синтез в твердой фазе в течение 30 ч. После чего просинтезированное вещество помещалось в тигель и расплавлялось (Т_плавл=1830^oС). Выращивание кристалла осуществлялось методом Чохральского со скоростью вытягивания 2 мм/сут. В результате был получен прозрачный бесцветный кристалл высокого оптического качества высотой 11 мм и диаметром 10 мм химической формулы SrY_3,7Yb_0,3(SiO₄)₃O. Плотность кристалла, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 5,01 г/см³.

Пример 2.

Смесь мелкодисперсных высокочистых (марка ОСЧ) веществ, г: Карбонат кальция (СаСО₃) - 7,3320 Оксид гадолиния (Gd₂О₃) - 52,7912 Оксид иттербия (Yb₂О₃) - 0,3302
Оксид кремния (SiO₂) - 13,1481
тщательно перемешивали, прессовали в таблеты и помещали в муфельную печь, где при температуре 950^oС проводили синтез в твердой фазе в течение 30 ч. После чего просинтезированное вещество помещалось в тигель и расплавлялось (Т_плавл=1850^oС). Выращивание кристалла осуществлялось методом Чохральского со скоростью вытягивания 2 мм/сут. В результате был получен прозрачный бесцветный кристалл высокого оптического качества высотой 11 мм и диаметром 12 мм химической формулы СаGd_3,97Yb_0,03(SiO₄)₃О. Плотность кристалла, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 6,18 г/см³.

Аналогично были выращены кристаллы, химические формулы которых приведены в таблице.

Если в предлагаемом материале брать иттербия трехвалентного со стехиометрическим коэффициентом х<0,01, то низкая плотность возбуждений в среде, обусловленная низкой концентрацией лазерных ионов, не позволит превысить потери на паразитное поглощение матрицы-основы и говорить о таком материале как о лазерном не имеет смысла. С другой стороны, приближение значений х к 4 (образцы 4, 8, 18, 15) позволяет повысить коэффициент поглощения на длине волны 1,064 мкм и появляется возможность использования предлагаемого материала в качестве пассивных затворов для лазеров, активированных ионами Nd³⁺. Этому способствуют наличие межштарковского перехода на длине волны вблизи 1,064 мкм, двухуровневая система ионов Yb³⁺, высокое время жизни лазерного уровня и стойкость к высокоэнергетичному лазерному излучению.

Среди кристаллов, приведенных в таблице, выделяются материалы, соответствующие формуле CaY_1-xYb_x(Si0₄)₃0 ( 1-4). Самое высокое сечение лазерного перехода в представленной группе, высокий коэффициент вхождения Yb³⁺, близкий к 1, и высокое оптическое качество таких кристаллов делают его наиболее перспективным.

Образцы 5-7, 9-12, 14, 16, 17 также имели высокое оптическое качество.

Свежевыращенные образцы представляли собой були диаметром 10-12 мм и длиной 10-12 мм, бесцветные, с гладкой блестящей поверхностью. Для спектрально-люминесцентных измерений вырезали пластины 4х5 мм² и от 0,1 до 3 мм толщиной.

Спектры поглощения и люминесценции измерялись при помощи дифракционного монохроматора МДР-23 (с решеткой 600 штр/мм) с обратной линейной дисперсией 2,6 нм/мм и шириной щелей не более 0,15 мм [4]. Спектры люминесценции поправлялись на спектральную чувствительность фотоприемника.

Спектры эффективного сечения усиления монокристаллов σ_эф(λ) с учетом реабсорбции рассчитывались по формуле
σ_эф(λ) = βσ_люм(λ)-(1-β)σ_погл(λ),
где β = n/N - соотношение населенностей верхнего и нижнего уровней,
σ_люм(λ) - сечение люминесценции и
σ_погл(λ) - сечение поглощения [5].

Оценка длительности импульса производилась с использованием соотношения неопределенностей Гейзенберга ΔE•Δt≤h. где ΔE - неопределенность по энергии, описывается шириной спектра люминесценции, h - постоянная Планка, тогда Δt - примерная длительность лазерного импульса в режиме генерации сверхкоротких импульсов.

Указанные материалы обладают спектром люминесценции с полушириной не менее 70 нм (фиг.1). Т.к. линии люминесценции представлены сильно уширенными перекрывающимися полосами, то становится возможным провести оценку длительности импульса лазера при работе в режиме генерации сверхкоротких импульсов, результаты оценки дают длительность импульса порядка 10 фс.

Из фиг. 2 и 3 видно, что при небольшом уровне инверсии (соотношение населенностей верхнего и нижнего уровней n/N=0,05) положительное усиление возникает в первую очередь на длине волны 1,064 мкм, а затем уже при соотношении населенностей 0,2 люминесцентная область перестройки составляет 1-1,08 мкм.

Спектры усиления, построенные для остальных материалов из таблицы, аналогичны приведенным. Разницу составляет лишь длина волны положительного усиления при минимальном значении инверсии населенностей, т.к. для материалов, содержащих в качестве Re-La, длина волны генерации 1,061 мкм при той же полуширине области люминесцентной перестройки.

Таким образом, предлагаемый монокристаллический лазерный материал по своим характеристикам представляет интерес для создания иттербиевых лазеров с длиной волны около 1,064 мкм, что является более предпочтительным, чем лазеры с другими длинами волн для адаптации существующей элементной базы к новым материалам. Предлагаемый монокристаллический лазерный материал обладает уникальной, на сегодняшний день, полушириной полосы люминесценции - около 70 нм, что позволяет получить генерацию лазерных импульсов с длительностью порядка 10 фс, а также люминесцентной областью перестройки порядка 40 нм.

Источники информации
1. А. А. Каминский, Б.М. Антипенко. Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров. М.: Наука, 1989, с. 268-269, с. 270.

2. J.Wallace Laser Focus World December 1998, p. 15.

3. T.Y.Fan, J. Quantum Electron., 29, 1457-1459 (1993).

4. А. Н. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976, с. 108-112.

5. А.А. Каминский Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1975, с. 5-8.

Формула изобретения

Монокристаллический лазерный материал на основе оксисиликатов редкоземельных элементов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в качестве активатора трехвалентный иттербий в соответствии с формулой
MRe_4-xYb_x(SiO₄)₃O,
где М - кальций (Са) или стронций (Sr);
Re - иттрий (Y), гадолиний (Gd), лантан (La);
а 0,01≤х<4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4