Лазерное вещество

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра. Лазерное вещество на основе кристалла фторидов лития и лютеция, активированного трехвалентными ионами церия, дополнительно содержит фториды иттрия и иттербия в соответствии с химической формулой LiLu_1-xY_xYb_yF₄:Ce, где х=0,5-0,8, у=0-0,05. Изобретение позволяет уменьшить влияние эффекта соляризации активной среды под действием излучения накачки на ее лазерные характеристики, расширить диапазон перестройки частоты лазерной генерации, увеличить концентрацию ионов церия в кристаллах лития-лютеция и значение удельного съема энергии лазерного излучения. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра.

Известно, что кристаллы двойных фторидов состава LiYF₄ и LiLuF₄, активированные ионами Се³⁺, являются рабочими материалами квантовой электроники ультрафиолетового диапазона [1], [2]. Общим недостатком этих материалов является низкий коэффициент вхождения активных ионов, относящихся к цериевой подгруппе ряда лантаноидов, обусловленный их неизоморфностью по отношению к катионам данной кристаллической решетки (ионам Y³⁺ и Lu³⁺) вследствие различий в ионных радиусах примеси и катиона. При этом активация кристаллов двойных фторидов лития-иттрия или лития-лютеция ионами церия способствует образованию дефектов кристаллической структуры и соляризации (образованию центров окраски) этих материалов под действием УФ-излучения накачки. Из-за образования центров окраски эти активные материалы деградируют в процессе работы, что проявляется в снижении КПД и уменьшении диапазона перестройки частоты УФ-лазерной генерации. Более того, при некоторых условиях лазерная генерация на этих активных средах вообще не может быть получена [3].

Наиболее близким аналогом, выбранном в качестве прототипа по совокупности совпадения характерных признаков и достигаемых результатов, является лазерное вещество на основе кристаллов двойных фторидов лития-лютеция, активированных ионами церия и соактивированных ионами иттербия [4].

Недостатками прототипа являются:

1) соактивация кристаллов прототипа ионами иттербия приводит к снижению квантового выхода люминесценции ионов церия и квантового КПД лазерной генерации;

2) соактивация кристаллов LiLuF₄:Се³⁺ ионами Yb³⁺ не обеспечивает достаточное подавление образования центров окраски под действием излучения накачки в области длинноволнового крыла спектра люминесценции ионов церия (λ>330 нм), что и приводит к зауженному, по сравнению с теоретически возможным, диапазону перестройки частоты лазерной генерации (в пределах ~ 305÷332 нм);

3) низкий коэффициент вхождения ионов церия в эти кристаллы, оказывающийся в 1.3 раза меньше, чем, например, в кристаллы LiYF₄ (около 13÷14% от первоначального содержания активаторных ионов в исходных компонентах шихты). Этим обусловлена проблема получения образцов высокого оптического качества с достаточно высокими концентрациями ионов церия и, следовательно, увеличения удельного съема энергии лазерного излучения.

Целью изобретения является создание лазерного вещества с меньшим влиянием эффекта соляризации активной среды под действием излучения накачки на ее лазерные характеристики, с расширенным диапазоном перестройки частоты лазерной генерации и с увеличенным значением удельного съема энергии лазерного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что при выращивании кристаллов фторидов лития и лютеция, активированных ионами церия, в них дополнительно вводятся фториды иттрия и иттербия при следующих соотношениях компонентов в шихте: мол.%:

LiF -	50
LuF3 -	21÷39
YF3 -	20÷10
СеF3 -	0.2÷2
YbF3 -	0÷5

причем LuF₃+YF₃+YbF₃+CeF₃=50.

В результате образуются твердые растворы состава LiF-LuF₃-YF₃-CeF₃-YbF₃, обладающие кристаллической структурой шеелита. Заданные составы компонентов обусловлены гомогенностью образуемых соединений LiF-LuF₃-YF₃, LiF-YF₃-YbF₃ или LiF-LuF₃-YbF₃, обеспечивающие, по сравнению с кристаллами аналогов и прототипа:

1) уменьшение коэффициента наведенных излучением накачки потерь (коэффициент поглощения центров окраски) в области длин волн 317÷333 нм от 1.2 до 2.2 раз;

2) расширение диапазона перестройки частоты лазерного излучения до 303÷338 нм (для кристаллов прототипа измеренный в тех же условиях диапазон перестройки лазерной генерации составил 305÷322 нм);

3) повышение удельного энергосъема лазерного излучения в 1.6 раза.

Новизна заявляемого вещества состоит в том, что для УФ активных сред в литературе не обнаружено подобных технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков и приводящих к реализации заявляемых целей.

Заявляемое лазерное вещество не является очевидным для специалистов, занимающихся поисковыми исследованиями новых активных сред, поскольку твердые растворы состава LiF-LuF₃-YF₃-CeF₃-YbF₃ ранее не исследовались, что явилось объективной причиной, не позволившей ранее получить заявленный технический результат.

Как показали проведенные эксперименты, в случае промышленного применения твердых растворов LiF-LuF₃-YF₃-CeF₃-YbF₃ с оптимальным содержанием входящих в их состав компонент, удастся значительно улучшить энергетические, спектральные и эксплуатационные характеристики УФ твердотельных перестраиваемых лазеров. Кроме того, уменьшение количества дорогостоящего фторида лютеция и замена его на значительно более дешевый фторид иттрия в исходной шихте для изготовления активной среды состава LiF-LuF₃-YF₃-CeF₃-YbF₃ обеспечивает существенное снижение ее стоимости по сравнению с прототипом.

Пример 1

Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Шихту состава (мол.%): 50 LiF, 26÷32 YF₃, 16÷22 LuF₃, 0.2 СеF₃ и 0.8 YbF₃ (LuF₃+YF₃+YbF₃+CeF₃=50) помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 часов. Атмосферу для процесса выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 900°С в течение 2÷4 часов. Рост кристалла осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6 мм и длиной до 60÷70 мм. Кристаллы не имели окраски, были прозрачными и хорошего оптического качества.

Для исследований эффекта соляризации использовались полированные образцы в виде пластин размером 4×4×1 мм. Оптическая ось образцов располагалась в плоскости пластины. Исследование характеристик оптического усиления и наведенного поглощения в образцах осуществляли методом зондирования возбужденных образов пробным излучением (метод "накачка-зондирование", в англоязычной литературе - pump-probe experiments). Длина волны накачки составляла 300 нм. Плотность энергии накачки 0.8 Дж/см². Плотность энергии зондирующего излучения составляла менее 10 мДж/см². Спектры центров окраски, индуцируемых в активных средах аналогов и предлагаемой активной среде, приведены на фиг.1-3.

В случае твердых растворов лития-лютеция LiLu_1-xY_xYb_yF₄:Ce при х=0.5÷0.8 и у=0 коэффициент индуцированных излучением центров окраски в области длин волн 317÷333 нм оказывается в 1.2÷2.2 раза меньше, чем в кристаллах прототипа. Твердые растворы LiLu_1-xY_xYb_yF₄:Ce при х=0.5÷0.8 и у=0.01 демонстрируют минимальный коэффициент поглощения индуцированных центров окраски, в 2 и более раза меньший, чем в кристаллах прототипа и аналогов во всей области люминесценции ионов Се³⁺.

Пример 2

Выращивание кристаллов из шихты состава (мол.%): 50 LiF, 10÷20 YF₃, 29÷39 LuF₃ и 1 СеF₃ осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера. Шихту помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 часов. Атмосферу для процесса выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 900°С в течение 2÷4 часов. Рост кристалла осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. В отличие от примера 1, выращивание кристаллов осуществлялось «на затравку»: ориентированный кристалл того же состава, помещенный в затравочную камеру тигля. При этом расположение оптической оси затравки определяло направление оптической оси выращиваемого кристалла. Выращивались образцы с перпендикулярной ориентацией оптической оси относительно направления роста. Размер и оптическое качество полученных кристаллов были такими же, как описанные в примере 1. Из них изготавливались активные элементы, представляющие собой цилиндры с плоскопараллельными основаниями и плоским окном, длиной, равной длине цилиндра, и высотой 4 мм, выполированным на образующей цилиндра. Расположение окна выбиралось таким образом, чтобы оптическая ось кристалла лежала в его плоскости.

Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси криптона и фтора с длиной волны излучения 248 нм. Частота следования импульсов накачки - 0.5 Гц. Энергия излучения лазера накачки для всех сравниваемых кристаллов составляла 60 мДж, что, примерно, в 8 раз превышало пороговую энергию возникновения лазерной генерации. В неселективном резонаторе, образованном плоскими зеркалами с оптимальными коэффициентами отражения, энергосъем лазерного излучения с активной среды заявляемого состава в ~ 1.6 раз превысил энергосъем с кристалла прототипа. Результаты измерений приведены в таблице.

Пример 3

Выращивание кристаллов и изготовление из них активных элементов осуществлялось методом, описанным в примере 2. Использовалась шихта состава (мол.%): 50 LiF, 15 YF₃, 34 LuF₃ и 1 СеF₃.

Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси криптона и фтора с длиной волны излучения 248 нм. Частота следования импульсов накачки - 0.5 Гц. Энергия излучения лазера накачки для всех сравниваемых кристаллов составляла 60 мДж. Использовался селективный резонатор, образованный плоскими зеркалами с коэффициентами отражения 0.99 в области 290÷350 нм. В качестве диспергирующего элемента использовалась 60-градусная призма, изготовленная из плавленого кварца.

Диапазон перестройки лазера на основе активной среды заявляемого состава составил 303÷338 нм, что в 1.3 раза превышает диапазон перестройки лазера на кристаллах прототипа.

Источники информации

1. Ehrlich D.J. Ultraviolet solid-state Ce:YLF laser at 325 nm.// D.J.Ehrlich, P.F.Moulton, R.M. Osgood// Opt. Lett. - 1979. - V. 4. - P. 184-186.

2. Dubinskii M.A. A new active medium for a tunable solid-state UV laser with an excimer pump/ M.A.Dubinskii, V.V.Semashko, A.K.Naumov, R. Yu. Abdulsabirov, S.L.Korableva// Laser Physics. - 1994. - V. 3. - № 4. - P. 480-84.

3. Семашко В.В. Проблемы поиска новых твердотельных активных сред ультрафиолетового и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов спектра: роль фотодинамических процессов / В.В.Семашко // ФТТ - 2005 - т.47 - N5 - С.1450-1454.

4. Semashko V.V. Laser properties of the excimer-pumped photochemically stabilized Ce3+:LiLuF4 tunable UV active material / V.V.Semashko, M.A.Dubinskii, R-Yu.Abdulsabirov, A.K.Naumov, S.L.Korableva, P. Misra, C. Haridas // Proc. of the Intemat. Conf. on LASERS 2000 (Albuquerque, NM, Dec. 4-8, 2000), STS Press, McLean, VA-2001-P. 675-678.

Удельный энергосъем с активных сред химического состава LiLu1-x-yYxYbyF4:Ce3+
Кристалл	Удельный энергосъем, мДж/см3
LiYF4:Ce3+(аналог)	<30
LiLuF4Ce3+ (аналог)	160-170
LiLu0.99Yb0.01F4Ce3+ (прототип)	200-220
LiLu0.8Y0.2F4:Се3+ (заявляемый результат)	340-370
LiLu0.7Y0.28 Yb0.02F4:Ce3+(заявляемый результат)	320-350

Лазерное вещество на основе кристалла фторидов лития и лютеция, активированного трехвалентными ионами церия, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фториды иттрия и иттербия в соответствии с химической формулой LiLu_1-xY_xYb_yF₄:Ce, где х=0,5÷0,8, у=0-0,05.