МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ


RU (11) 2190704 (13) C2

(51) 7 C30B29/12, C30B15/00, H01S3/16 

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

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

(21) Заявка: 99125920/12 
(22) Дата подачи заявки: 1999.12.07 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.12.07 
(45) Опубликовано: 2002.10.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SCHAFFERS K.I. et al. Crystal growth, frequency of cloubling and infrared laser performance of Yb3+: ВаСаВО 3F "J. Quantum Electron.", 32, №5, 1996, pp. 741-748. US 5677921 А, 14.10.1997. КАМИНСКИЙ А.А. Лазерные кристаллы. - М.: Наука, 1975. КАМИНСКИЙ А.А. и др. Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров. - М.: Наука, 1989. 
(71) Заявитель(и): Кубанский государственный университет 
(72) Автор(ы): Ворошилов И.В.; Лебедев В.А.; Ключко Е.В.; Саакян А.В. 
(73) Патентообладатель(и): Кубанский государственный университет 
Адрес для переписки: 350040, г.Краснодар, ул. Ставропольская, 149, КубГУ, группа интеллектуальной собственности 

(54) МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ 

Изобретение относится к материалам для лазерной техники. Предлагается в монокристаллический лазерный материал на основе фторортобората бария-кальция с иттербием дополнительно вводить в качестве активатора эрбий в соответствии с химической формулой BaCa1-x-yYbxEryBO3+x+yF1-x-y, где х>0,0001, у>0,0001, х+у0,23. Монокристаллический материал представляет интерес для получения активных элементов твердотельных лазеров 1,5-микронного диапазона генерации. 3 ил., 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к материалам для лазерной техники, а именно к 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 технологий. 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. Полуторамикронное излучение наименее опасно для зрения (порог повреждения 0,8 Дж). С этой точки зрения оно перспективно для применений в офтальмологии.

По этой же причине представляется возможным заменить неодимовые лазеры (= 1,06 мкм) 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-галоидных кристаллов: MgO и MgF2 с примесью ионов Со2+, Ni2+, V2+, которые позволяют получать стимулированное излучение в области 1,2-1,8 мкм [1]. Однако, применение таких сред сложно, поскольку рабочая температура составляет 77 К.

Активные среды на основе алюмоиттриевого граната [2] с хромом генерируют свет в области 1,36-1,45 нм. Активная среда на основе алюмоиттриевого граната с активаторами иттербием и эрбием Y3Аl5O12:Yb,Еr генерирует в области 1,54 мкм [3], однако характеризуется низким КПД (менее 0,01%) и крайне высоким порогом генерации (200 Дж). Низкая эффективность таких сред обусловлена эффектом так называемого "обратного переноса", а также кооперативными процессами (ап-конверсия и кросс-релаксация), которые возникают благодаря высокому времени жизни предлазерного уровня 4I11/2.

На практике основным источником излучения с длиной волны 1,5 мкм являются эрбиевые стекла [4-9]. Но низкие теплофизические характеристики последних заставляют ученых продолжать поиск кристаллических матриц для иона эрбия.

Известны монокристаллические лазерные материалы на основе ортобората скандия, где в качестве активатора применяется эрбий или эрбий и иттербий, в соответствии с химической формулой Sc1-xMxBO3, где 0<х3(ВО3)4 [11], являющиеся наиболее близкими по достигаемому эффекту. Длина волны излучения таких материалов лежит в области 1,5 мкм. В этих материалах, благодаря развитому фононному спектру, люминесценция уровня 4I11/2 иона Еr3+ полностью потушена. Этим определяется высокая эффективность переноса энергии Yb->Er. Развитость фононного спектра объясняется наличием боратных групп - ВО3. Основными недостатками этих материалов являются низкий квантовый выход люминесценции 1-3% и невысокое время жизни верхнего лазерного уровня 4I13/2~ 390 мкс для Sc1-xMxBO3 и ~680 мкс для Yb,Еr:LаSс3(ВО3)4, что не позволяет получать эффективную генерацию излучения.

Известен монокристаллический материал для лазеров ИК-диапазона (Са4Y1-x-yYbxЕrу(ВО3)3О, где х>0,001, у>0,001, х+у0,57) [12]. Этот материал характеризуется высокой эффективностью переноса энергии Yb->Er и высоким временем жизни лазерного уровня ~1.3 мс, имеет квантовый выход люминесценции - 7% и сечение лазерного перехода - 0.810-20 см2. Все перечисленные материалы очень дороги в производстве, т.к. характеризуются высоким содержанием редкоземельных элементов и имеют высокие температуры плавления от 1450oС для Yb,Еr:LаSс3(ВО3)4 до 1610oС для Sс1-xМхВО3.

Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу по технической сущности является монокристаллический лазерный материал, соответствующий химической формуле BaCa1-xYbxBО3F [13] , этот материал обладает широким фононным спектром и самоудвоением частоты генерации. Но длина волны излучения лазера на основе такого материала находится около 1 мкм, что попадает в опасный для зрения диапазон. Кроме того, излучение с такой длиной волны сильно поглощается в кварцевых световодах при передаче оптического сигнала.

В связи с этим, технической задачей является получение монокристаллического лазерного материала, способного эффективно излучать на длинах волн вблизи 1,5 мкм, имеющего высокий квантовый выход люминесценции, обладающего достаточно высоким временем жизни верхнего лазерного уровня и высоким сечением лазерного перехода, что является основой повышения мощности излучения твердотельного лазера, а также дешевого.

Для решения поставленной технической задачи предлагается в монокристаллический лазерный материал на основе фторортобората бария-кальция с иттербием дополнительно вводить в качестве активатора трехвалентный эрбий в соответствии с формулой: BaCa1-x-yYbxEryBО3F1, где х>0,0001, у>0,0001, х+у0,23.

В состав предлагаемого материала, как и в состав прототипа, входят боратные группы (ВО3). Предлагаемый материал, как и прототип, соактивирован иттербием, но, в отличие от него, дополнительно, в качестве активатора, содержит ионы трехвалентного эрбия.

Выбор в качестве матрицы-основы кристалла фторортобората бария-кальция позволяет получить монокристаллический лазерный материал с низким временем жизни предлазерного уровня 4I11/2, достаточно высоким временем жизни верхнего лазерного уровня 4I13/2 иона эрбия - порядка 1 мс, высоким квантовым выходом люминесценции с лазерного уровня ~20%, высоким сечением лазерного перехода ~ 1.2510-20 см2, а также дешевого и технологичного в производстве (малое содержание редкоземельных элементов и низкая температура плавления - ок. 900oС).

Низкое время жизни предлазерного уровня 4I11/2 объясняется развитым фононным спектром, обусловленным наличием в составе монокристалла боратных групп (ВО3). Именно низкое время жизни уровня 4I11/2 иона Еr3+ в кристалле Yb, Er:LSB является основой эффективности генерации полуторамикронного излучения.

На фиг. 1 представлена кинетика распада люминесценции кристалла BaCa0.904Yb0.0051Er0.0009BО3F (BCBF: Yb,Er), измеренная на длине волны 978 нм (уровень 2F5/2 иона Yb3+) после возбуждения первой гармоникой YAG:Nd лазера, на фиг.2 - кинетика распада люминесценции кристалла

ВаСа0.994Yb0.0051Еr0.0009ВО3.006F0.994, измеренная на длине волны 1535 нм (лазерный полуторамикронный канал 4I13/2->4I15/2 иона Еr3+) после возбуждения второй гармоникой YAG:Nd лазера, на фиг.3 - спектры сечений люминесценции (тонкая линия), поглощения (толстая линия) и усиления для соотношения населенностей 1/2 (тонкая линия, пересекающая нулевую линию), в дипазоне длин волн 1460 - 1640 нм, рассчитанные из спектров поглощения кристалла

ВаСа0.94Yb0.051Еr0.009ВО3.06F0.94.

Кристаллы выращены методом Чохральского из иридиевых тиглей диаметром 30-50 мм со скоростью 1-3 мм/ч.

Пример 1.

Смесь мелкодисперсных высокочистых (марка ОСЧ) материалов:

Оксид кальция (СаО) - 10.8872

Оксид бария (ВаО) - 59.8977

Оксид иттербия (III) (Yb2О3) - 0.3925

Оксид эрбия (III) (Еr2О3) - 0.0672

Оксид бора (В2О3) - 13.5976

Фторид кальция (CaF2) - 15.1576

тщательно перемешивали, прессовали в таблеты и помещали в муфельную печь, где при температуре 600oС проводили синтез в твердой фазе в течение 24 часов. Просинтезированное вещество помещалось в тигель и расплавлялось (Тплавл=820oС). Выращивание кристалла осуществлялось методом Чохральского со скоростью вытягивания 3 мм/ч. В результате был получен прозрачный кристалл розового оттенка высокого оптического качества высотой 35 мм и диаметром 9 мм химической формулы BaCa0.994Yb0.0051Er0.0009BО3.006F0.994. Плотность кристалла, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 4.13 гр/см3.

Пример 2.

Смесь мелкодисперсных высокочистых (марка ОСЧ) веществ:

Оксид кальция (СаО) - 10.0228

Оксид бария (ВаО) - 58.3099

Оксид иттербия (III) (Yb2О3) - 3.8213

Оксид эрбия (III) (Еr2О3) - 0.6546

Оксид бора (В2О3) - 13.2371

Фторид кальция (CaF2) - 13.9543

тщательно перемешивали, прессовали в таблеты и помещали в муфельную печь, где при температуре 550oС проводили синтез в твердой фазе в течение 30 часов. После чего просинтезированное вещество помещалось в тигель и расплавлялось (Тплавл=800oС). Выращивание кристалла осуществлялось методом Чохральского со скоростью вытягивания 3 мм/ч. В результате был получен прозрачный розовый кристалл высокого оптического качества высотой 25 мм и диаметром 11 мм химической формулы BaCa0.94Yb0.051Er0.009BO3.06F0.94. Плотность кристалла, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 4.17 гр/см3.

Аналогично были выращены кристаллы, химические формулы которых приведены в таблице. Если в предлагаемом материале брать иттербия трехвалентного со стехиометрическим коэффициентом х<0,0001, то низкий коэффициент поглощения такого материала не позволит поглотить энергию, достаточную для превышения порога генерации. Если брать эрбия трехвалентного со стехиометрическим коэффициентом у<0,0001, то низкая плотность возбуждений в среде, обусловленная низкой концентрацией активных ионов, не позволит превысить потери на паразитное поглощение матрицы-основы, и говорить о таком материале как о лазерном, не имеет смысла. С другой стороны, по мере приближения значений х+у к 0,23, оптическое качество кристалла ухудшается - образцы 6, 7 (см. табл.), и при значениях х+у>0,23 становится невозможно получить монокристаллический материал.

Свежевыращенные образцы 1-5 представляли собой були диаметром 9-12 мм и длиной 10-42 мм, прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью. Для спектрально-люминесцентных измерений вырезали пластины 6х6 мм2 и от 0.1 до 5 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. Спектры поглощения измерялись по однолучевой схеме [14]. Спектры люминесценции поправлялись на спектральную чувствительность фотоприемника.

Квантовая эффективность переноса энергии Yb3+->Еr3+ определялась по формуле

= (W+2)/(1/+W+2),

где =1.17 мс [13] - время жизни возбужденного состояния иона иттербия, - макропараметр переноса энергии Yb->Er, a W - скорость миграции энергии по ионам Yb3+. Значения и W определялись путем анализа формы кинетики затухания люминесценции иона иттербия, приведенной на фиг.1 в [15].

Время жизни уровня 4I13/2 иона Еr3+ определяли методом тауметрии, т.е. в точке падения интенсивности в е - раз [16].

Квантовый выход люминесценции определялся как отношение (в процентах) радиационного времени жизни лазерного уровня к экспериментально измеренному времени.

Спектры сечений поглощения и люминесценции были рассчитаны по стандартной методике [16] и методом обратимости [17], соответственно. Спектр сечений люминесценции, рассчитанный с использованием спектра люминесценции методом Фюхтбауэра-Ладенбурга [16], не имеет значительных отличий от спектра сечений люминесценции, приведенного на фиг.3.

Спектры эффективного сечения усиления монокристаллов эф() с учетом реабсорбции рассчитывались по формуле

эф() = люм()-(1-)погл(),

где = n/N - соотношение населенностей верхнего и нижнего уровней, люм() - сечение люминесценции и погл() - сечение поглощения.

Матрица Са4Y1-х-уYbхЕry(ВО3)3О содержит боратные группы (ВО3) и, соответственно, имеет протяженный фононный спектр. В результате безызлучательной многофононной релаксации энергия электронного возбуждения быстро, за время менее 1 мкс, релаксируют на лазерный уровень 4I13/2 иона Еr3+. Это определяет высокую квантовую эффективность переноса энергии Yb3+->Er3+. В кристалле ВaCa0.904Yb0.0051Еr0.0009ВО3F квантовая эффективность переноса = 84%. Быстрая многофононная релаксация 4I11/2 - 4I13/2 практически полностью предотвращает обратный перенос энергии Er3+->Yb3+ и различные кооперативные процессы с участием уровня 4I11/2. Время жизни лазерного уровня 4I13/2, несмотря на развитый фононный спектр, остается достаточно высоким как для полупроводниковой, так и для ламповой накачки и составляет ~ 1 мс (см. фиг. 2).

Из фиг. 3 видно, что предложенный материал излучает в области 1,5 мкм. Судя по кривой усиления, уже при соотношении населенностей =0,5, люминесцентная область перестройки по частоте составляет ~ 100 нм.

Нами была изучена штарковская структура уровней 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2 иона Ег3+ в предлагаемом материале. Результаты исследований и расчетов свидетельствуют об отсутствии каналов возбужденного поглощения, при реализации переходов с уровня 4I13/2 на уровень 4I9/2, перекрывающихся с лазерными каналами 4I15/2 -> 4I13/2.

Таким образом, предлагаемый монокристаллический лазерный материал по своим характеристикам представляет интерес для создания лазеров на кристаллах с длиной волны около 1,5 мкм, что является более предпочтительным, чем лазеры на стеклах и лазеры с другими длинами волн для самых различных применений.

Литература

1. Moulton P.F. IEEE J. Quantum Electron, 1982, V. 18, р. 1185.

2. Ангерт Н.Б., Бородин Н.И., Гармаш В.М. и др. Квантовая электроника. 1988, т.15, 1, с.113.

3. White K. O. , Scleusener S.A. Appl. Phys. Lett., 1972, V. 21, 9, р. 419.

4. Anton D.W., Pier T.J., Leilabody P.A., Digest of Conference on Optical Fiber Communications, 1991, paper FB6, p. 206.

5. Laporta P., De Silvestri S., Magni V., Pallaro L., Svelto О., Digest of Conference on Lasers and Electro-Optics, 1991, paper CthRl.

6. Laporta P. , De Silvestri S., Magni V., Svelto О., Opt. Lett. 16 (1991) 1952.

7. Hutchinson J. A., Caffey D.P., Schans C.F., Trussel C.W., Digest of Conference on Lasers and Electro-Optics, 1990, paper CPDP-19.

8. Hutchinson J.A., Allik Т.Н., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 1424.

9. Labranche В., Mailloux A., Levesque M., Taillo Y., Morin M., Mathieu P., OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers 24 (1993) 379.

10. Патент РФ 2084994, МКИ (6) Н 01 S 3/16, Монокристаллический материал для лазеров ИК-диапазона/ Лебедев В.А., Писаренко В.Ф., Чуев Ю.М., Фатеев В. М. , Шестаков А.В., - 93052869/25; заявл. 22.11.93; Опубл. 20.07.97, Бюл. 20 - 7 с.

11. Перфилин А. , Несынов Е., Подцепко M., Лебедев В., Чуев Ю., Спектрально-люминесцентные исследования монокристаллов боратов и силикатов с примесями иттербия и эрбия. Природа. Общество. Человек, Вестник Южно-Российского отделения Международной Академии наук Высшей школы, 4-5 (7-8)/1996, с. 31-33.

12. Ворошилов И. В., Лебедев В.А., Гавриленко А.Н. Монокристаллический материал для лазеров ИК-диапазона. Заявка на изобретение РФ 00117466, дата приоритета 09.08.99.

13. K. I. Schaffers, L.D. DeLoach and S.A. Payne Crystal Growth, Frequency Doubling and Infrared Laser Performance of Yb3+:BaCaBO3F. IEEE Journal of Quantum Electronics, 32, 5, May, 1996, 741-748.

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

15. Сигачев В.Б., Дорошенко М.Е., Басиев Т.Т., Лутц Г.Б., Чаи Б., Сенсибилизация люминесценции ионов Еr3+ и Но3+ ионами Сr4+ в кристалле Y2SiO5. Квантовая электроника, 22, 1, 1995.

16. Каминский А.А., Лазерные кристаллы, М., Наука, 1975, с. 16-24.

17. S.A. Payne, L.L. Chase, L.K. Smith, W.L. Kway and W.F. Krupke, IEEE J. Quantum Electron. 28 (1992) 2619. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Монокристаллический лазерный материал на основе фторортобората бария-кальция, активированного иттербием, отличающийся тем, что дополнительно в качестве активатора содержит трехвалентный эрбий в соответствии с химической формулой

BaCa1-x-yYbxEryBO3+x+yF1-x-y,

где х > 0,0001, у > 0,0001, х + у 0,23.


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