Активная среда высокоэнергетичного прокачного жидкостного лазера с диодной накачкой

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов. Сущность изобретения. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой содержит иттербий, кислоту Льюиса и оксихлорид серы. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении соединения иттербия. Представлены соотношения компонентов активной среды. Частные случаи состава активной среды. В качестве оксихлорида серы использован тионилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - трихлорид галлия, а люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении хлорида, кристаллогидрата хлорида или трифторацетата иттербия. В качестве оксихлорида серы использован тионилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - пентахлорид сурьмы, а люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия. В качестве оксихлорида серы использован сульфурилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - трихлорид галлия, а люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении хлорида или трифторацетата иттербия. Технический результат - уменьшение воздействия вредных веществ на персонал, прокачка активной среды с большой концентрацией иттербия и эксплуатация лазера при минусовых (отрицательных) температурах. 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов и может быть использовано в качестве активной среды при создании прокачных лазеров с диодной накачкой.

Известна активная среда [US 3779939 А, 1973. Liquid laser solution formed with a neodymium salt in phosphorus oxychloride] жидкостного лазера с диодной накачкой, которая состоит которая состоит из растворенных в оксихлориде фосфора POCl₃ дихлорфосфата неодима Nd(PO₂Cl₂)₃ и тетрахлорида циркония ZrCl₄, который находится в количестве, позволяющем оптимизировать растворимость и люминесценцию дихлорфосфата неодима. Причем молярное соотношение ZrCl₄/Nd(PO₂Cl₂)₃ должно быть не меньше 1, а дихлорфосфат неодима образуется при растворении трифторацетата неодима Nd(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора.

Недостатки такой активной среды: высокая токсичность, относительно большая вязкость и замерзание активной среды при минусовых (отрицательных) температурах, свойственные используемому жидкому растворителю - оксихлориду фосфора, а также относительно большая для высокоэнергетичного лазера потеря энергии накачки, обусловленная спектрально-люминесцентными характеристиками неодима.

Наиболее близкая к предложенной активная среда [RU 2723162 С1, 2019. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой] жидкостного лазера с диодной накачкой на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса содержит иттербий. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении соединения иттербия в оксихлориде фосфора. В данном патенте представлены соотношения компонентов активной среды для двух частных случаев. В одном случае в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид циркония, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃. В другом частном случае в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид олова, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ или перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃.

В указанном техническом решении имеются следующие недостатки:

- во-первых, высокая токсичность оксихлорида фосфора, I класс опасности [1], создает технологические трудности в приготовлении и эксплуатации и ограничивает возможность использования активных сред;

- во-вторых, относительно большая вязкость оксихлорида фосфора; вязкость многократно возрастает с увеличением концентрации активатора вследствие полимеризации, активные среды теряют текучесть, и при концентрации активатора более 3 масс. % прокачка активной среды на основе оксихлорида фосфора практически невозможна;

- в-третьих, при переходе к минусовым (отрицательным) температурам растворы оксихлорида фосфора замерзают, и эксплуатация лазера становится невозможной.

Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а именно, уменьшении токсичности, уменьшении вязкости активной среды прокачных лазеров с диодной накачкой и расширении диапазона жидкого состояния активной среды в область минусовых (отрицательных) температур.

Технический результат - уменьшение воздействия вредных веществ на персонал, прокачка активной среды с большой концентрацией иттербия и эксплуатация лазера при минусовых (отрицательных) температурах.

Для исключения указанных недостатков в активной среде жидкостного лазера с диодной накачкой предлагается:

- использовать оксихлорид серы в качестве жидкого растворителя;

- иттербий связать в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении определенного соединения иттербия.

В частных случаях приготовления активной среды предлагается:

- во-первых, в качестве оксихлорида серы использовать тионилхлорид SOCl₂; в качестве кислоты Льюиса использовать трихлорид галлия GaCl₃; тионилхлорид, трихлорид галлия и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов масс. %: иттербий - 0,5-8; трихлорид галлия, GaCl₃ - 2-45; тионилхлорид, SOCl₂ - остальное;

- в первом варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении хлорида иттербия YbCl₃;

- во втором варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl₃⋅nH₂O;

- в третьем варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃;

- во-вторых, в качестве оксихлорида серы использовать тионилхлорид SOCl₂; в качестве кислоты Льюиса использовать пентахлорид сурьмы SbCl₅; тионилхлорид, пентахлорид сурьмы и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-2; пентахлорид сурьмы, SbCl₅ - 40-73; тионилхлорид, SOCl₂ - остальное; люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl₃⋅nH₂O;

- в-третьих, в качестве оксихлорида серы использовать оксихлорид серы(VI), сульфурилхлорид, SO₂Cl₂; в качестве кислоты Льюиса использовать трихлорид галлия; сульфурилхлорид, трихлорид галлия и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-4; трихлорид галлия, GaCl₃ - 5-54; сульфурилхлорид, SO₂Cl₂ - остальное;

- в первом варианте третьего частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении хлорида иттербия YbCl₃;

- во втором варианте третьего частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой содержит иттербий, кислоту Льюиса и оксихлорид серы в качестве жидкого растворителя. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении соединения иттербия.

Такая активная среда может быть использована в прокачных жидкостных лазерах с диодной накачкой для получения большого количества лазерного излучения большой мощности, при которых твердотельные активные среды разрушаются.

Оксихлориды серы относят ко II классу опасности [1]: для тионилхлорида максимальная разовая ПДК_рз=0,3 мг/м³; для сульфурилхлорида параметры контроля не установлены, контролируются продукты разложения, в первую очередь, HCl и SO₂, ПДК_рз=5 и 10 мг/м³ соответственно (табл.), т.е. оксихлориды серы значительно менее токсичны, чем оксихлорид фосфора.

Вязкость индивидуальных растворителей при комнатной температуре, 0,607⋅10^-3 и 0,684⋅10^-3 Па⋅с для тионилхлорида и сульфурилхлорида соответственно [2], существенно меньше, чем вязкость POCl₃ (табл.); вязкость активной среды на основе оксихлорида серы пропорциональна концентрации иттербия и при всех заявленных соотношениях компонентов в разы меньше вязкости активных сред на основе оксихлорида фосфора [3]: динамическая вязкость заявленной активной среды η^20°<5⋅10^-3 Па⋅с, а кинематическая вязкость ν^20°<2⋅10^-6 м²/с.

Низкая отрицательная температура плавления, - 104,5 и - 54,1°С для тионилхлорида и сульфурилхлорида соответственно [2] (табл.), обусловливает низкую температуру замерзания и значительное расширение диапазона жидкого состояния активной среды на основе оксихлорида серы в область минусовых (отрицательных) температур. Начало рабочего интервала температур, в котором осуществляется прокачка активной среды, в случае использования тионилхлорида и трихлорида галлия t°<-60°С, в случае использования тионилхлорида и пентахлорида сурьмы t°<-30°С, в случае использования сульфурилхлорида и трихлорида галлия t°<-20°С. Таким образом, во всех трех случаях нижняя граница рабочего интервала температур заявленной активной среды значительно ниже 0°С.

Кислота Льюиса необходима для растворения исходного соединения иттербия и образования люминесцирующего гетерокомплекса.

В случае использования тионилхлорида и трихлорида галлия люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении безводного хлорида иттербия, кристаллогидрата хлорида иттербия или трифторацетата иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-8 масс. %; трихлорид галлия - 2-45 масс. %; тионилхлорид - остальное.

В случае использования тионилхлорида и пентахлорида сурьмы люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-2 масс. %; пентахлорид сурьмы - 40-73 масс. %; тионилхлорид - остальное.

В случае использования сульфурилхлорида и трихлорида галлия люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении безводных хлорида или трифторацетата иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-8 масс. %; трихлорид галлия - 2-45 масс. %; сульфурилхлорид - остальное.

В указанных для каждого случая сочетаниях оксихлорида серы, кислоты Льюиса и исходного соединения иттербия достигаются наибольшая концентрация Yb³⁺ в заявленной активной среде и ее наилучшие технические характеристики.

Указанные для каждого случая соотношения компонентов обеспечивают устойчивые характеристики активной среды и ее практическую применимость.

В таблице приведены свойства индивидуальных растворителей, которые определяют указанные преимущества заявленной жидкой активной среды.

Заявленная активная среда была использована для приготовления нескольких образцов для каждого рассматриваемого случая. Получены экспериментальные данные о физико-химических, спектрально-люминесцентных и лазерных свойствах образцов активной среды, включая люминесцентное время жизни т возбужденного состояния Yb³⁺ и спектральные зависимости сечений усиления σ_g(λ) в условиях диодной накачки при разной относительной инверсной населенности возбужденного состояния Yb³⁺. Примеры конкретного осуществления активной среды.

Пример 1. Активная среда на основе тионилхлорида и трихлорида галлия, SOCl₂-GaCl₃-Yb³⁺, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 4, трихлорид галлия - 34, тионилхлорид - 62. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃. Кинематическая вязкость ν^20°=1,4⋅10^-6 м²/с; начало рабочего интервала температур t°<-70°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb³⁺ τ=0,6 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=2,58 и K(1003 нм)=3,51.

Пример 2. Активная среда на основе тионилхлорида и пентахлорида сурьмы, SOCl₂-SbCl₅-Yb³⁺, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 1, пентахлорид сурьмы - 71, тионилхлорид - 28. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl₃⋅nH₂O. Кинематическая вязкость ν^20°=1⋅10^-6 м²/с; начало рабочего интервала температур t°<-30°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb³⁺ τ=0,3 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=0,65 и K(1003 нм)=0,88.

Пример 3. Активная среда на основе сульфурилхлорида и трихлорида галлия, SO₂Cl₂-GaCl₃-Yb³⁺, которая содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 3, трихлорид галлия - 30, сульфурилхлорид - 67. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении хлорида иттербия YbCl₃. Кинематическая вязкость ν^20°=1,2⋅10^-6 м²/с; начало рабочего интервала температур t°<-30°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb³⁺ τ=0,7 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=1,84 и K(1003 нм)=2,23.

Совокупность существенных признаков заявленной активной среды высокоэнергетичного прокачного жидкостного лазера с диодной накачкой обеспечивает ее воспроизводимое приготовление, уменьшает воздействие вредных веществ на персонал, позволяет осуществить прокачку активной среды с большой концентрацией иттербия и эксплуатацию лазера при минусовых (отрицательных) температурах.

Список использованных источников:

1. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны, таблица 2.1. Санитарные правила и нормы СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания". Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 28 января 2021 года N 2.

2. Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др. - М.: Советская энциклопедия, 1995. - Т. 4 (Пол-Три). - 639 с.

3. Аникиев Ю.Г., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б. Лазеры на неорганических жидкостях. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 248 с.

1. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой, которая содержит иттербий и кислоту Льюиса, отличающаяся тем, что жидким растворителем служит оксихлорид серы, причем иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении соединения иттербия.

2. Активная среда по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве оксихлорида серы используют тионилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - трихлорид галлия при следующих соотношениях компонентов, масс. %:

иттербий	0,5-8
трихлорид галлия, GaCl3	2-45
тионилхлорид, SOCl2	остальное

3. Активная среда по п. 2, отличающаяся тем, что люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении хлорида иттербия YbCl₃.

4. Активная среда по п. 2, отличающаяся тем, что люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl₃⋅nH₂O.

5. Активная среда по п. 2, отличающаяся тем, что люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃.

6. Активная среда по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве оксихлорида серы используют тионилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - пентахлорид сурьмы при следующих соотношениях компонентов, масс. %:

иттербий	0,5-2
пентахлорид сурьмы, SbCl5	40-73
тионилхлорид, SOCl2	остальное

причем люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl₃⋅nH₂O.

7. Активная среда по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве оксихлорида серы используют сульфурилхлорид, в качестве кислоты Льюиса - трихлорид галлия при следующих соотношениях компонентов, масс. %:

иттербий	0,5-4
трихлорид галлия, GaCl3	5-54
сульфурилхлорид, SO2Cl2	остальное

8. Активная среда по п. 7, отличающаяся тем, что люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении хлорида иттербия YbCl₃.

9. Активная среда по п. 7, отличающаяся тем, что люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃.