МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ИК-ДИАПАЗОНА

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ИК-ДИАПАЗОНА


RU (11) 2084997 (13) C1

(51) 6 H01S3/16

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93052869/25
(22) Дата подачи заявки: 1993.11.22
(45) Опубликовано: 1997.07.20
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Moultou P.I. JEEE J. Quaut Elect. 1982, v. 18, p.1185. 2. Ангерт Н.Б. и др. Квантовая электроника, 1988, т. 15, N 1, с. 113. 3. Аванесов А.Г. и др. Тезисы VIII Всесоюзного совещания семинара - Спектроскопия лазерных материалов. Краснодар, КИППИ, 1991, с. 20 - 21. 4. White K.D. et al Apple Plus. Lett., 1972, v. 21, N 9, p. 419. 4. Каминский А.А. и др. Многоуровневые многофункциональные схемы кристаллических лазеров. - М.: Наука, 1989, с. 270. 6. Каминский А.А. и др. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. - М.: Наука, 1986, с. 272. 7. Chai B.H.T. et al Proc DSA Top Meet. Rippling Resolt Zigzag Ore. June 4 - 6, 1986, p. 76. 8. Lai S.T. et al Ibid, p. 145.
(71) Заявитель(и): Кубанский государственный университет
(72) Автор(ы): Лебедев В.А.; Писаренко В.Ф.; Чуев Ю.М.; Фатеев В.М.; Шестаков А.В.
(73) Патентообладатель(и): Кубанский государственный университет

(54) МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ИК-ДИАПАЗОНА

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: в качестве материала для лазеров ИК-диапазона взят эрбий или эрбий и иттербий, или эрбий иттербий и хром в соответствии с химической формулой Sc1-x MxBO3, где 0<x


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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+, Ni2 + , 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

Sc1-xMxBO3,

где 0<x

На фиг. 1 приведен спектр монокристаллического материала Sc0,948Yb0,05Cr0,002BO3 в области поглощения иттербия; на фиг. 2 спектр поглощения в видимой области материала Sc0,935Yb0,05Er0,01Cr0,005 BO3; на фиг. 3 спектры поглощения и люминесценции материала Sc0,935 Yb0,05Er0,01Cr0,005BO3.

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 4I15/2__ 4I11/2 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 2F7/2__ 2F5/2 ионов Yb3+ (см. фиг. 1), а затем передается ионам Er3+ на уровень 4I11/2.

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 4I11/2 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 1300oC 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 Sc1-xMxBO3 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 4I13/2 иона Er3+. Быстрая многофононная релаксация 4I11/2__ 4I13/2 практически полностью предотвращает обратный перенос энергии Er__ Yb. Время жизни лазерного уровня 4I13/2, 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 4I13/2, 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 Sc0,935Cr0,005Vb0,03Er0,03BO 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.


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

Sc1-x MxBO3

где 0 < х 0,4, а М активатор.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru