МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ АКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ЭЛЕМЕНТА
MONOCRYSTALLINE MATERIAL WITH HETEROGENEOUS DISTRIBUTION OF OPTICAL IMPURITIES FOR ACTIVE LASER ELEMENT

Изобретение относится к материалам для лазерной техники, в частности для твердотельных лазеров с диодной накачкой.
Источники когерентного оптического излучения в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм находят ряд применений в производстве телекоммуникационных (третье окно прозрачности кварцевых волокон, окно прозрачности атмосферы) и медицинских приборов (офтальмология). Для технических задач, требующих высокой стабильности генерационных параметров лазера и качества выходного пучка излучения, вместо широко распространенных лазерных диодов и активированных эрбием фторидных стекол применяют монокристаллические активные элементы.
2
Среди лазерных кристаллов, на которых реализована генерация в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм, известны активные элементы на основе фторида магния (MgF) с примесями двухвалентных ионов никеля, кобальта и ванадия [Moulton P.F. IEEE J. Quantum Electron, 1982, V. 18, p. 1185]. Они обладают широкой спектральной полосой усиления (1,2-1,8 мкм), однако эффективная генерация может быть достигнута только при криогенных температурах (77 К).
3+
4
4
3+
4
13/2
11/2
11/2
В большинстве других известных лазерных элементах данного класса в качестве активной среды используют кристаллы с постоянным равномерным распределением ионов эрбия (концентрационная серия с содержанием Er 0,1-4 ат.% для оксидных матриц) [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75]. Лазерный уровень ионов эрбия Ι имеет большое время жизни (порядка нескольких миллисекунд), однако КПД генерации составляет значения около 0,01% из-за процессов кросс-релаксации, ап-конверсии и реабсорбции, а также невысокого сечения поглощения накачки предлазерным уровнем I/2 (λ=980 нм). Следует отметить, что с ростом степени легирования до уровня 3-4 ат.% энергетическая эффективность оптической накачки растет, но вместе с этим возрастает и вклад паразитных энергетических процессов, приводящих, в частности, к повышению температуры кристалла, ухудшению качества лазерного пучка. При превышении концентрации 4 ат.% происходит тушение люминесценции ионов Er из-за высокой скорости кросс-релаксации электронного возбуждения с предлазерного уровня I.
3+
3+
3+
3+
Общеприменимым методом повышения эффективности оптической накачки для лазерных кристаллов с 1,5 мкм генерацией является сенсибилизирование матрицы ионами иттербия (Yb: до 30 ат. %) [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 75-79]. Высокоэффективный резонансный безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения от ионов-доноров (Yb) к ионам-акцепторам (Er) позволяет значительно увеличить темпы заселения предлазерного уровня. Однако применение материалов с высоким содержанием (более 25-30 ат. %) ионов-сенсибилизаторов приводит к мощной люминесценции ионов Yb, сопровождающейся высокой степенью реабсорбции данного излучения, и, как следствие, к снижению генерационных параметров.
3
3
4
4
3
3
4
4
3
Известны активные элементы на основе ортоборатов и ортосиликатов редкоземельных и щелочноземельных металлов, таких как Yb:Er:LaSc(ВО) (LSB) [Перфилин А., Несынов Е., Подцепко М., 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], Yb:Er:YCa(BO)O (YCAB) [патент RU №2186161, МПК7, опубл. 27.07.2002], Yb:Er:Ce:CaGd(SiO)O (CGS) [патент RU №2186162, МПК7, опубл. 27.07.2002] и др. Их основные преимущества заключаются в подавлении фононной релаксации возбуждения ионов эрбия и снижении времени жизни предлазерного уровня. Однако они обладают невысокой теплопроводностью, а технологии выращивания монокристаллов с высоким оптическим качеством являются сложными и экономически неэффективными процессами.
0,6
0,06
2.34
2
4
3
-1
3+
3+
Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является монокристаллический алюмоиттриевый гранат Yb:Er:YАl(AlO) с равномерным профилем легирования ионами эрбия и иттербия. Данный лазерный материал широко используется в лазерной промышленности на протяжении нескольких десятилетий. Наряду с высокими теплофизическими характеристиками, кристаллы YAG, легированные эрбием, обладают одним из самых высоких коэффициентов усиления среди кристаллических матриц: α=5-6 см [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 75-79]. К недостаткам монокристаллического алюмоиттриевого граната с однородным распределением оптических примесей относится малая эффективность оптической продольной накачки и невысокий квантовый выход лазерного излучения, что обусловлено кросс-релаксацией электронного возбуждения, ап-конверсией и реабсорбцией лазерного излучения. Развитие этих эффектов приводит к снижению скорости безызлучательного переноса энергии от ионов-доноров Yb к активным лазерным ионам Er, в связи с чем уменьшается эффективность генерации индуцированного излучения.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности оптической диодной продольной накачки активного лазерного элемента путем повышения эффективной скорости переноса электронного возбуждения от ионов-сенсибилизаторов иттербия к ионам-акцепторам эрбия.
Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе алюмоиттриевого граната с неоднородным распределением оптических примесей, в качестве которых взяты активные ионы эрбия и иттербия, по заданному закону вдоль активного лазерного элемента следующей структурной формулы:
где:
р=22,5 ат. %, q=2,25 ат. %, где 0≤z≤1 см,
z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла, см, в системе отсчета, берущей начало на входной грани активного элемента.
И заявляемый монокристаллический материал, и прототип содержат одни и те же исходные компоненты, но в отличие от прототипа их содержание и распределение в соответствии с формулами (1)-(4) обеспечивают повышение эффективности оптической диодной продольной накачки активного лазерного элемента путем повышения эффективной скорости переноса электронного возбуждения от ионов-сенсибилизаторов иттербия к ионам-акцепторам эрбия.
На фиг. 1 изображена ростовая установка, используемая для получения предлагаемого материала.
На фиг. 2 представлены графики распределения ионов эрбия и иттербия вдоль длины кристалла, а именно:
3+
a(z) - график распределения концентрации ионов-доноров Yb(2) - I;
3+
b(z) - график распределения концентрации ионов-акцепторов Er (3) - II;
уровень концентрации 12,563 ат. %, соответствующий средней эффективной степени легирования ионами иттербия - III;
уровень концентрации 1,256 ат. %, соответствующий средней эффективной степени легирования ионами эрбия - IV.
06489
0,049
2.462
2
4
3
На фиг. 3 изображены графики распределения мощности выходного оптического лазерного излучения, где поверхность а соответствует распределению электромагнитного поля в неоднородно легированном кристалле со структурной формулой (1) и поверхность б - распределению в однородно легированном кристалле со структурной формулой Yb:Er:YAl(AlO).
На фиг. 4 представлен график зависимости результирующей выходной мощности от концентрации ионов эрбия (при постоянной эффективной концентрации ионов иттербия 12,563 ат.%).
На фиг. 5 изображен график зависимости эффективности безызлучательного переноса к ионам-акцепторам в зависимости от концентрации ионов эрбия (при постоянной эффективной концентрации ионов иттербия 12,563 ат.%).
Для получения монокристалла применяли метод Чохральского с жидкостной подпиткой [Патент RU №2402646, 10.03.2009]. Для осуществления способа используют установку (фиг. 1), включающую тигель 1; индуктор 2; ЭВМ 3; контроллер мощности 4; расплав 5, находящийся в основном тигле 1; вращающийся шток 6; датчик веса 7; водоохлаждаемый шток 8; контроллер перемещения 9 водоохлаждаемого штока 8; затравку для вытягиваемого кристалла 10; термопару 11; контроллер температуры 12 расплава 13; отверстия 14 в тигле-реакторе 15; устройство перемещения 16 нижнего штока 17.
3+
3+
3
5
12
В основной тигель 1 (фиг. 1) наплавляют шихту алюмоиттриевого граната состава Yb:Er:YAlO, изготовленную из оксида иттрия массой 171,18 г, оксида алюминия массой 77,29 г, оксида эрбия массой 0,97 г и оксида иттербия массой 4,98 г. После этого из полученной шихты изготавливают таблетки диаметром 30-40 мм и высотой 20-25 мм. В центре таблеток просверливается отверстие диаметром 2-3 мм. Полученные просверленные в центре таблетки из шихты алюмоиттриевого граната помещают в отжиговую печь для проведения твердофазного синтеза при температуре 1200-1400°C в течение 48 часов. После этого таблетки из спеченной шихты алюмоиттриевого граната с отверстиями в центре нанизываются на иридиевый стержень, образуя, таким образом, затравку для вытягиваемого кристалла 10, закрепленную к верхнему вращающемуся штоку 6. Свободный конец затравки для вытягиваемого кристалла 10 упирается в дно основного тигля 1. Основной тигель 1, расположенный внутри индуктора 2, разогревают путем задания уровня мощности с помощью ЭВМ 3, которая управляет контроллером мощности 4. При достижении мощности, при которой происходит плавление таблеток из спеченной шихты алюмоиттриевого граната, повышение уровня мощности прекращается и выдерживается в течение времени после плавления последней таблетки, затравку для вытягиваемого кристалла 10 поднимают вверх и иридиевый стержень, на который были нанизаны таблетки, полностью оказывается над поверхностью расплава 5. После этого выключают подводимую к тиглю 1 мощность и добиваются остывания до комнатной температуры тигля 1 с закристаллизовавшимся расплавом 5.
После этого тигель-реактор 15 крепят на устройство перемещения 16 нижнего штока 17. Тигель-реактор 15 центрируют относительно затравки для вытягиваемого кристалла 10 и основного тигля 1 и подводят на расстояние порядка 1 см к застывшему расплаву 5 в основном тигле 1. Включают индукционный нагрев системы тиглей 1 и 15, управляемый контроллерами температуры 12 с помощью термопары 11. Расплав 5 в основном тигле 1 плавится, после этого под контролем программного управления с помощью ЭВМ 3 тигель-реактор 15 погружается в основной тигель 1 на заданную глубину, которая определяется исходя из площади сечения тигля-реактора 15 и плотности расплава 5. При этом расплав 5 поступает в тигель-реактор 15 через отверстия 14, заполняя расплавом 13. Глубина погружения тигля-реактора 15 диаметром 3,2 см в расплав 5 предлагаемой шихты, содержащийся в основном тигле 1, составляет 1,0 см и выставляется с помощью контроллера перемещения 9 с помощью системы штоков 6 и 8. Тогда масса расплава 13 в тигле-реакторе 15 составляет:
где:
i
S - площадь поперечного сечения тигля-реактора 15;
ρ - плотность расплава 5.
После этого основной тигель 1 вместе с тиглем-реактором 15 с расплавом 13 алюмоиттриевого граната остужают до комнатной температуры путем прекращения подвода мощности нагрева. Вес кристалла, получившегося из затравки для вытягиваемого кристалла 10, определяется с помощью датчика веса 7, передающего данные ЭВМ 3.
В расплав 5 в основном тигле 1 досыпали 1,73 г оксида эрбия, в расплав 13 в тигле-реакторе 15 досыпали 8,89 г оксида иттербия.
Массовая скорость вытягивания кристалла 1,45 г/ч, линейная скорость опускания тигля-реактора 15 составляет 0,26 см/ч. Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава 13 вычисляют в соответствии с выражением:
где:
c
N - число частиц в кристалле;
с
m - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла 10, г;
i
N - число частиц в тигле-реакторе 15;
i
m - масса расплава в тигле-реакторе 15, г;
k - коэффициент вхождения компонента из расплава 5 в кристалл;
- параметр подпитки;
1
V - массовая скорость расплава 5, поступающего из основного тигля 1 в тигель-реактор 15, г/ч;
cr
V - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.
В соответствии с выражением (6) и указанными параметрами ростового процесса распределение концентраций ионов эрбия и иттербия вдоль длины кристалла описывается в аналитическом виде с помощью формул (2) и (3).
Восходящие участки параболических профилей концентрации ионов-акцепторов a(z) (2) и доноров и b(z) (3) (фиг. 2) позволяют одновременно снизить лучевую нагрузку на входной торец активного элемента при продольной накачке, а также увеличить эффективность генерации вблизи выходного торца активного элемента. Повышение эффективности генерации связано с более высоким темпом безызлучательного переноса энергии от ионов-доноров к ионам-акцепторам, что, в свою очередь, связано с тем, что на большей части длины кристалла концентрации данных примесей превышают свое среднее эффективное значение (12,563 ат.% и 1,2563 ат.%, соответственно).
3+
3+
Er
Yb
погл
изл
Условия легирования монокристаллических оксидных матриц ионами Er и Yb с учетом влияния концентраций обеих примесей (C, С) на значения сечений поглощения и излучения (σ, σ) и генерационные параметры отражены в таблице 1.
Расчеты эффективности безызлучательного переноса энергии и мощности выходного лазерного излучения проводились в соответствии с программой для ЭВМ «Интерактивный комплекс расчета тепловых и генерационных параметров в градиентных лазерных кристаллах» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618765). В соответствии с данными математического моделирования процесса лазерной генерации [Строганова Е.В., Галуцкий В.В., Ткачев Д.С. и др., Оптика и спектроскопия, 2014, Т. 117, №6, с. 1012-1017] нами был получен активный лазерный элемент с изменением концентраций оптических примесей вдоль длины кристалла в соответствии соотношением (1), обеспечивающим выходную мощность лазерного излучения 13,5 мВт (№6 таблицы 1, фиг. 3), с пиковой эффективностью безызлучательного переноса энергии от ионов-сенсибилизаторов к ионам-акцепторам 87,4%).
3+
3+
Как видно из таблицы 1, активные лазерные элементы с однородным легированием по длине оптических примесей (№№1-3 таблицы 1) при увеличении концентраций Yb и Er демонстрируют рост эффективного сечения поглощения (Yb) и излучения (Er), увеличение скорости эффективного безызлучательного переноса энергии и мощности оптического излучения.
вых
Пиковая мощность выходного излучения для однородно легированного кристалла с концентрациями оптических примесей, соответствующими верхнему пределу концентраций в предлагаемом градиентном кристалле, составляет Р=10 мВт (№4 таблицы 1, фиг. 3).
Однако при дальнейшем увеличении концентраций оптических центров Yb и Er наблюдается резкое снижение эффективности генерационных процессов из-за возрастания уровня люминесценции ионов-доноров Yb и одновременной реабсорбции излучения (№5 таблицы 1).
3+
3+
Граничные и начальные условия математического моделирования, в результате которого был получен активный лазерный элемент с оптимальными концентрационными профилями Er и Yb (№6 таблицы 1) определялись следующим техническим исполнением:
- резонатор Фабри-Перо длиной z=1 см, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, напыленных на торцевые грани активного элемента;
вх
- коэффициент отражения входного зеркала на длине волны 1,55 мкм равен Т=0,99;
вых
- коэффициент отражения выходного зеркала на длине волны 1,55 мкм равен Т=0,9;
пор
погл
- значение поглощенной ионами-сенсибилизаторами мощности накачки задается соответствующим удвоенному значению пороговой мощности генерации Р=0,182 Вт-Р=0,364 Вт;
конв
- коэффициент конверсии накачки в возбуждение электронов лазерного уровня ионов эрбия принимался равным k=0.03, с учетом потерь на такие паразитные процессы, как фононная релаксация, ап-конверсия, реабсорбция и др.;
- радиус пятна накачки составляет 125 мкм;
- кривизна волнового фронта составляет величину не менее 34,21 см, что позволяет считать распространяющуюся волну усиления плоской; волна накачки также предполагается плоской;
- зафиксированные значения выходной оптической мощности (таблица 1, фиг. 4) соответствуют значению мощности на выходной грани активного элемента в центральном сечении плоскостью YZ (х=0) после двух полных обходов резонатора волной усиления (фиг. 3).
3+
3+
В связи с динамикой роста эффективности переноса энергии и мощности генерации в зависимости от повышения концентрации ионов эрбия, представленной на фиг. 4 и 5, а также усилением паразитных энергетических процессов кросс-релаксации и an-конверсии электронного возбуждения и реабсорбции люминесценции при росте концентраций ионов эрбия и иттербия [Koechner. W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75, 75-79], в предлагаемом материале используют средние диапазоны значения концентраций обоих оптических примесей, а именно (5,0625÷16,3125) ат.% для Yb и (0,50625÷1,63125) ат.% для Er. Дальнейшее увеличение концентрации активных ионов эрбия не обеспечивает значительного улучшения генерационных параметров («плато» на кривых выходной оптической мощности (фиг. 4)), так как уменьшается оптическое качество кристалла, развивается дефектная структура кристалла и снижается эффективность переноса энергии («плато» на кривых выходной оптической мощности (фиг. 5))·
Применение активных лазерных элементов на основе монокристаллов алюмоиттриевого граната с неоднородным распределением ионов-сенсибилизаторов иттербия и ионов-акцепторов эрбия позволяет увеличить среднюю эффективную скорость безызлучательного переноса энергии до 87.4%. За счет неоднородного продольного распределения примесей в пределах средних концентраций удалось увеличить мощность генерации более чем на 30% по сравнению с однородно легированными кристаллами без увеличения степени легирования матрицы, приводящей к развитию паразитных нелинейных эффектов.