АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОГО ГРАНАТА, ЛЕГИРОВАННОГО НЕОДИМОМ, С ПЕРИФЕРИЙНЫМ ПОГЛОЩАЮЩИМ СЛОЕМ
ACTIVE ELEMENT FROM NEODYMIUM-DOPED YTTRIUM-ALUMINIUM GARNET, WITH PERIPHERAL ABSORBING LAYER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к твердотельным лазерам с полупроводниковой накачкой.
В последние годы широкое распространение получили твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой. Для эффективной работы, в режиме модулированной добротности или при использовании активного элемента в качестве усилителя в активной среде при высоких плотностях мощности накачки, необходимо создавать большую инверсию населенностей. В протяженном активном элементе создание предельных коэффициентов усиления ограничивается суперлюминесценцией. В результате отражения от поверхности раздела активного элемента с внешней средой, имеющей меньший показатель преломления, увеличивается длина оптического пути в усиливающей активной среде. Поэтому эффект суперлюминесценции выражен значительно сильнее. Кроме того, в результате полного внутреннего отражения от поверхности активного элемента могут возникать паразитные моды (излучение, распространяющееся по замкнутым траекториям вблизи боковой поверхности активного элемента), снижающие инверсию населенностей в активной среде и, как следствие, эффективность генерации выходного излучения. Поэтому изменение конструкции активного элемента для устранения влияния суперлюминесценции и паразитных мод актуально для современных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой.
Известно, что для подавления влияния полного внутреннего отражения в оптических средах используют такие приемы как создание шероховатости на поверхности раздела оптических сред, либо нанесение бороздок, канавок и т.п. на боковую поверхность активного элемента, либо нанесение по боковой поверхности антиотражающих покрытий или иммерсионных жидкостей [1]. Однако эти методы не позволяют полностью подавить суперлюминесценцию при высокой мощности накачки.
3+
Известен активный элемент, имеющий композитную структуру, центральная часть которого выполнена в виде цилиндрического стержня из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ:Nd), на боковой поверхности которого расположен слой (оболочка) из нелегированной оптической керамики иттрий-алюминиевого граната (ИАГ). Материал активного элемента и материал оболочки связаны в единый моноблок. Утверждается, что данный метод пригоден для соединения материалов активного элемента и оболочки с разницей в ТКЛР до 10%. Показатель преломления керамической оболочки выбирается на 0,3% меньший, чем показатель преломления активной части, что позволяет повысить эффективность накачки за счет концентрирования излучения накачки в элементе. Использование оболочки преимущественно направлено на компенсацию термооптических эффектов [2].
Одной из основных причин снижения эффективности генерации импульсных твердотельных лазеров, работающих в режимах модулированной добротности или усиления, является эффект суперлюминесценции. Отражение от поверхности раздела активного элемента с внешней средой или с нелегированной оболочкой, вызванное разницей показателей преломления, приводит к увеличению эффекта суперлюминесценции; полное внутреннее отражение от поверхности активного элемента может приводить к возникновению паразитных мод. Это вызывает снижение инверсии населенностей и, как следствие, снижение эффективности генерации. Решение данной проблемы возможно при наличии поглощения излучения на длине волны генерации по периферии активного элемента, что не предусмотрено в предлагаемом композитном активном элементе.
3+
3+
3+
3+
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому активному элементу является выбранный в качестве прототипа композит, представляющий собой неразъемный моноблок, при этом центральная часть цилиндрической формы выполнена из ИАГ:Nd, а на периферии активного элемента расположен слой из оптической керамики ИАГ, активированной трехвалентными ионами самария (ИАГ:Sm). Подавление паразитных мод и повышение эффективности генерации активного элемента ИАГ:Nd обеспечивается поглощением излучения на длине волны генерации λ=1064 нм оболочкой из оптической керамики ИАГ:Sm [3]. Недостатком этого устройства является то, что активный элемент такого типа не может быть изготовлен из монокристалла и принципиально является керамическим, что обусловлено особенностями технологического процесса, являющегося к тому же дорогостоящим и трудоемким. Авторы получают композит по керамической технологии, используя одну и ту же матрицу для сердцевины и оболочки, которые различаются только легирующими ионами.
3+
3+
-1
3
2
3
Растворимость Sm в ИАГ ограничена, поглощающий слой поликристаллического ИАГ содержит около 5 ат.% Sm, что соответствует 4,34 масс.% SmO. Коэффициент поглощения на длине волны λ=1064 нм составил 1,96 см. Большие концентрации Sm* обеспечивают большее поглощение на длине волны λ=1064 нм и, следовательно, более эффективное подавление суперлюминесценции.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции активного элемента, обеспечивающего повышенную эффективность генерации выходного излучения, за счет поглощения излучения спонтанной люминесценции в периферийном слое и предотвращения генерации паразитных мод и развития эффекта суперлюминесценции.
3+
3+
3+
3+
2
3
2
2
3
2
3
Указанная задача решается за счет того, что в известном активном элементе из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ:Nd), с периферийным поглощающим слоем, выполненном в виде стержня, состоящего в центральной части из ИАГ:Nd и периферийного слоя, прозрачного в области длин волн накачки ИАГ:Nd, обеспечивающего поглощение на длине волны 1064 нм и имеющего температурный коэффициент линейного расширения и показатель преломления близкие к температурному коэффициенту линейного расширения и показателю преломления ИАГ:Nd, периферийный слой выполнен из легкоплавкого стекла, включающего в свой состав оксид свинца PbO, оксид бора ВО, оксид кремния SiO, оксид алюминия AlO, оксид цинка ZnO, оксид самария SmO, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
PbO
52,3-59,8
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
14,7-16,8
SiO<sub>2</sub>
5,4-6,2
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,1-5,8
ZnO
4,4-5,0
Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
18,1-6,4
3+
На чертеже представлена схема предлагаемого активного элемента. На активную среду 1, представляющую собой цилиндрический стержень, изготовленный из ИАГ:Nd, нанесен периферийный слой стекла 2, обеспечивающий поглощение на длине волны 1064 нм.
Предлагаемый активный элемент работает следующим образом: при соединении активного элемента с системой введения излучения накачки и при наличии резонатора, после включения источника накачки в активной среде 1 осуществляется преобразование излучения накачки на длинах волн в области 808 нм в излучение генерации на длинах волн в области 1064 нм. При этом возникающая спонтанная люминесценция частично поглощается при прохождении через поверхность раздела активной среды 1 и периферийного слоя стекла 2, что препятствует ее дальнейшему распространению и усилению, приводящему к снижению инверсии населенности активной среды.
3+
3+
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
В предлагаемом активном элементе активная среда ИАГ:Nd выполнена в форме цилиндрического стержня (прямого кругового цилиндра) с диаметром 3…4 мм, длиной 30…60 мм и концентрацией ионов Nd 0,5…1 ат.%. Материал периферийного слоя представлен легкоплавким стеклом системы PbO - BO - SiO - AlO - ZnO, выбор которого проводили по ТКЛР и показателю преломления (идентичные ТКЛР и показателю преломления ИАГ), температуре растекания (не превышающей 500°C), по смачивающей способности. На базе этого стекла разработан состав, содержащий до 18 масс.% SmO. При содержании SmO более 18,1 масс.% наблюдали кристаллизацию стекла, содержание SmO менее 6 масс.% нецелесообразно из-за низкого значения коэффициента поглощения на длине волны λ=1064 нм. При содержании PbO от 52,3 до 59,8 и BO от 14,7 до 16,8 путем варьирования количества добавок SiO5,4-6,2, AlO 5,1-5,8, ZnO 4,4-5,0 масс.% и SmO 6,4-18,1 масс.% получили стекла не кристаллизующиеся, с оптимальными свойствами, с хорошей адгезией к ИАГ, без трещин и отслоений после охлаждения.
3+
3+
Стекло прозрачно в области оптической накачки ИAГ:Nd и поглощает излучение на длине волны излучения лазера λ=1064 нм. Количественное сочетание указанных компонентов в составе стекла позволяет получить согласованный спай стекла с иттрий-алюминиевым гранатом, и обеспечить стабильную работу композитного лазерного элемента. Стекло имеет ТКЛР близкий (±1,5%) к ТКЛР иттрий-алюминиевого граната, что позволяет получать композиты свободные от напряжения, допускающие последующую оптико-механическую обработку. Показатель преломления стекла близок (±0,7%) к показателю преломления ИАГ:Nd, что снижает вероятность возникновения генерации паразитных мод при отражении от границы раздела оптических сред, центральной части элемента и периферийного слоя (оболочки) - табл.1. Стекло обладает достаточной текучестью и хорошей адгезией к иттрий-алюминиевому гранату.
3
2
3
3
3
2
3
3
3
3
2
3
3+
3+
Для достижения стабильности физико-технических параметров стекла, шихту получали химическим синтезом. Шихту синтезировали путем осаждения раствором гидроксида аммония гидроксокомплексного соединения из смесевого раствора, содержащего исходные компоненты стекла в заданном стехиометрическом соотношении, с последующей термической обработкой гидроксокомплекса при температуре 480-500°С. Исходное сырье: Pb(NO), Al(NO), Zn(NO), Sm(NO), НВО, HSiO, квалификации «хч» или «хч». Варку стекол проводили в платиновых тиглях (V=0,1 л) при температуре 950°С-1050°С с выдержкой при максимальной температуре 30…60 мин в силитовой печи сопротивления в воздушной среде. Периферийный поглощающий слой наносили на цилиндрический стержень из ИАГ:Nd погружением последнего в расплавленную стекломассу в изотермическом режиме при температурах от 580°С до 680°С. Толщина получаемого на боковой поверхности элемента ИАГ:Nd периферийного поглощающего слоя составляет от 150 мкм до 1,5 мм, в зависимости от температуры выдержки элемента в расплаве стекла. Примеры конкретного выполнения и данные по коэффициенту поглощения периферийного слоя, использованного для изготовления композитов, сведены в таблицу 2.
3+
После нанесения периферийного поглощающего слоя проводили оптико-механическую обработку (шлифовку и полировку торцев) полученных активных элементов. Далее на торцевые поверхности элементов наносили просветляющие покрытия на длины волн накачки и генерации. Изготовленные таким образом активные элементы сравнивались с эталонными элементами ИАГ:Nd без периферийного поглощающего слоя. В результате экспериментов было установлено, что создаваемый коэффициент усиления в новых активных элементах превышает коэффициент усиления в эталонных элементах в 2-3 раза, при этом не наблюдается его насыщения с увеличением энергии накачки. Зависимости для выходной энергии генерации имеют аналогичный вид.
Таблица 1
Сопоставление характеристик монокристаллического ИАГ:Nd<sup>3+ </sup>и разработанного стекла
Параметр
ИАГ:Nd<sup>3+</sup> [4]
Разработанное стекло
плотность, г/см<sup>3</sup>
4,55
5,34
показатель преломления
1,815 (λ=632 нм)
1,8030 (λ=632 нм)
Т плавления, °C
1930
Tg=480
КТЛР, град <sup>-1</sup>
7,8×10<sup>-6</sup>
7,92×10<sup>-6</sup>
Таблица 2
Примеры конкретного выполнения
№
Состав разработанного стекла, масс.%
Коэффициент поглощения (λ=1064 нм), см<sup>-1</sup>
PbO
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZnO
Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
53,04
14,95
5,49
5,12
4,46
16,96
4,2
2
56,17
15,84
5,85
5,43
4,73
11,98
7,2
3
59,78
16,85
6,19
5,78
5,03
6,38
12
Источники информации
1. Solid-State Laser Engeneering. Sixth Revised and Updated Edition. W. Koechner. 2006 Springer Science + Business Media, Inc.
2. Патент США №: 7,158,546 от 02.01.2007.
3. Suppression of Laser Parasitic Oscillation Used Trivalent Samarium in Nd:YAG Ceramic Composite Rod. Annual Report 2006, Institute of LaserEnginttring, Osako University - прототип.
4. Лазерные кристаллы. А.А. Каминский. Издательство «Наука», 1975.