Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой
ACTIVE MEDIUM OF DIODE-PUMPED FLUID LASER

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов и может быть использовано в качестве активной среды при создании мультикиловаттных высокоэнергетичных прокачных жидкостных лазеров с диодной накачкой.
Известна активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой, которая содержит органический краситель [US 5530711, 1996. Low threshold diode-pumped tunable dye laser].
Основные недостатки такой активной среды: быстрое фотохимическое разрушение красителя, малое люминесцентное время жизни и малая концентрация активатора, что не позволяет создавать высокоэнергетичные жидкостные лазеры большой мощности.
3
4
2
2
3
3
2
3
4
3
2
3
Наиболее близкое по технической сущности решение представлено в патенте [US 3779939 А, 1973. Liquid laser solution formed with a neodymium salt in phosphorus oxychloride]. Активная среда состоит из оксихлорида фосфора POCl, тетрахлорида циркония ZrCl и дихлорфосфата неодима Nd(POCl), образованного при растворении три-фторацетата неодима Nd(CFCO). Причем молярное соотношение ZrCl / Nd(CFCO) должно быть не меньше 1.
3+
3+
3+
-1
Недостатком указанного технического решения является относительно большая потеря энергии накачки активной среды жидкостного лазера, обусловленная спектрально-люминесцентными характеристиками неодима. Ион неодима Nd имеет широкие и достаточно интенсивные полосы поглощения в видимой области. Поэтому неодимсодержащие активные среды использовали в высокоэнергетичных установках лазерного излучения большой мощности с накачкой оптическим излучением газоразрядных ламп. Диодная накачка с λ=808 нм осуществляется в полосу поглощения Nd с наибольшим сечением поглощения. Генерация вынужденного излучения происходит на λ=1,06 мкм перехода с наибольшим сечением вынужденного излучения. На фиг. 1 представлены спектры поглощения (1) и люминесценции (2) Nd в активной среде на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида циркония. Разница между частотами излучения накачки и генерации составляет около 3000 см, или 24% от частоты излучения накачки. Поэтому значительная часть энергии возбуждения расходуется на нагрев среды, и КПД лазера уменьшается.
Задача изобретения состоит в устранении указанного недостатка, а именно, уменьшении потери энергии накачки активной среды жидкостного лазера.
Технический результат - повышение оптического КПД жидкостного лазера, представляющего собой отношение энергии накачки активной среды к энергии выходного излучения жидкостного лазера.
Для исключения указанного недостатка в активной среде жидкостного лазера с диодной накачкой на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса предлагается:
- в активной среде использовать иттербий;
- иттербий связать в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении определенного соединения иттербия в оксихлориде фосфора.
В частных случаях приготовления активной среды предлагается:
4
3
4
3
2
3
- во-первых, в качестве кислоты Льюиса использовать тетрахлорид циркония (ZrCl); оксихлорид фосфора (POCl), тетрахлорид циркония (ZrCl) и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов; дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) в оксихлориде фосфора;
4
3
4
- во-вторых, в качестве кислоты Льюиса использовать тетрахлорид олова (SnCl); оксихлорид фосфора (POCl), тетрахлорид олова (SnCl) и иттербий взять при определенном соотношении компонентов;
3
2
3
- в-третьих, при использовании тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) в оксихлориде фосфора;
4
3
- в-четвертых, при использовании тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении перхлората иттербия Yb(ClO) в оксихлориде фосфора.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой состоит из оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса и иттербия.
3+
3+
Ионы иттербия Yb характеризуются всего одной неширокой полосой поглощения в ближней ИК-области спектра. Поэтому иттербий содержащие активные среды для ламповой накачки отсутствуют. На фиг. 2 представлены спектры поглощения (1) и люминесценции (2) Yb в активной среде на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса.
3+
3+
-1
3+
3+
2
2
-1
3+
3+
3+
3+
5/2
7/2
Во-первых, полоса поглощения Yb находится в области накачки активной среды InGaAs лазерными диодами на λ=0,94-0,98 мкм. Во-вторых, разница в частотах излучения накачки и генерации Yb составляет, как правило, около 600 см (менее 10% от частоты излучения накачки), что в пять раз меньше, чем для Nd. Это позволяет уменьшить тепловые потери и увеличить КПД лазера и выходную мощность лазерного излучения в 2-3 раза. В третьих, в Yb лазерный переход осуществляется из единственного возбужденного состояния F, который отстоит от основного F приблизительно на 10300 см (λ=0,97 мкм). Большой энергетический зазор между основным и возбужденным энергетическими  состояниями и отсутствие промежуточных уровней энергии Yb практически исключают потери на поглощение из возбужденного состояния, ап-конверсию, кросс-релаксацию и другие концентрационные эффекты, типичные для Nd. В-четвертых, в 3 раза большее люминесцентное времени жизни возбужденного состояния Yb - 1 мс (Nd - 0,3 мкс) в растворах оксихлорида фосфора ведет к увеличению выходной мощности лазерного излучения.
3+
3+
3+
Кислота Льюиса, формируя лигандное окружение Yb, обеспечивает перевод иттербия в раствор оксихлорида фосфора и люминесценцию Yb. При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлоридов циркония или олова достигается наибольшая концентрация Yb в активной среде, а характеристики активной среды наиболее устойчивы, что важно для разработки мультикиловаттных высокоэнергетичных прокачных жидкостных лазеров с диодной накачкой.
4
3
3
2
3
В одном частном случае кислота Льюиса представляет собой тетрахлорид циркония при следующих соотношениях компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-3; тетрахлорид циркония, ZrCl - 1-4; оксихлорид фосфора, POCl - остальное. Причем дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) в оксихлориде фосфора.
4
3
В другом частном случае кислота Льюиса представляет собой тетрахлорид олова при следующих соотношениях компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-5; тетрахлорид олова, SnCl - 1-12; оксихлорид фосфора, POCl - остальное.
3
2
3
4
3
При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) или перхлората иттербия Yb(ClO) в оксихлориде фосфора.
Растворение соединений иттербия в оксихлориде фосфора происходит с образованием дихлорфосфата иттербия. Чтобы избежать полимеризации активной среды и образования тушащих люминесценцию примесей, в качестве исходного используют такое соединение иттербия, прежде всего трифторацетат, которое при растворении образует не только с дихлорфосфат иттербия, но и газообразный удаляемый из раствора продукт:
3
3
3
2
2
3
3
Yb(CFCOO)+3POCl→Yb(POCl)+3CFCOOCl↑
3+
3+
В заявленной активной среде на основе оксихлорида фосфора вид и форма полос поглощения и люминесценции Yb (фиг. 2) практически не зависят от используемых кислот Льюиса и исходных соединений иттербия, а люминесцентное время жизни Yb превышает одну миллисекунду.
3+
Диапазон возможных концентраций Yb дается для выбора оптимальной концентрации в зависимости от конкретной конструкции лазерной кюветы с активной средой, режима прокачки активной среды и режима работы лазера. Верхняя граница диапазона определяется
4
- в случае использования тетрахлорида циркония растворимостью соединения иттербия, с учетом того, что, во-первых, при попадании влаги в активную среду осаждается оксихлорид циркония и, во-вторых, молярное соотношение ZrCl / иттербий должно быть не меньше 1;
- в случае использования тетрахлорида олова преимущественно вязкостью активной среды, необходимой для работы в прокачном режиме; вязкость возрастает с увеличением концентрации иттербия и при попадании влаги в активную среду.
Примеры конкретного осуществления активной среды представлены ниже.
3
4
3
2
3
3+
Пример 1. Активная среда на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида циркония, POCl-ZrCl-Yb, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 2, тетрахлорид циркония - 3, оксихлорид фосфора - 95. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) в оксихлориде фосфора.
3
4
4
3
3+
Пример 2. Активная среда на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида олова, POCl-SnCl-Yb, которая содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 3, тетрахлорид олова - 8, оксихлорид фосфора - 89. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении перхлората иттербия Yb(ClO) в оксихлориде фосфора.
Заявленная активная среда была использована для приготовления десятка образцов для каждого примера.
Совокупность существенных признаков заявляемого объекта обеспечивает воспроизводимое приготовление заявленной активной среды со следующими стабильными характеристиками:
- люминесцентное время жизни τ возбужденного состояния Yb<sup>3+</sup>, мс
1
- квантовый выход люминесценции
>0,9
- сечение поглощения σ<sub>а</sub> перехода <sup>2</sup>F<sub>7/2</sub>→<sup>2</sup>F<sub>5/2</sub> (976,5 нм), см<sup>2</sup>
1,46⋅10<sup>-20</sup>
- сечение вынужденного излучения σ<sub>е</sub>
лазерного перехода <sup>2</sup>F<sub>5/2</sub>→<sup>2</sup>F<sub>7/2</sub> (977 нм), см<sup>2</sup>
1,51⋅10<sup>-20</sup>
3+
В таблице представлены рассчитанные из экспериментальных данных энергетические характеристики жидкостного иттербиевого лазера с диодной накачкой в зависимости от параметров источника накачки и иттербий содержащей активной среды на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса с учетом равновесных населенностей штарковских подуровней Yb:
3+
20
3
3+
-21
2
а
in
- активная среда: концентрация [Yb] = 1,5⋅10 см; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb τ = 950 мкс; сечение поглощения σ=5,1⋅10 см на длине волны накачки λ = 934 нм;
in
in
in
in
3
- источник накачки: мощность P = 4 кВт; длительность импульса τ = 250 мкс; радиус пятна фокусировки излучения r ≈ 0,2 см; толщина слоя жидкости  длина резонатора L = 7 см; плотность энергии накачки E = 6,96 Дж/см.
in
out
Несмотря на то что иттербий содержащая активная среда на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса имеет наибольшее сечение поглощения излучения в области λ = 976,5 нм, накачка в область λ = 934 нм представляется предпочтительной. В этом случае можно получить генерацию на λ = 977 нм и требования к длине волны излучения источника накачки и ее стабильности при изменении температуры не столь жесткие из-за большей ширины полосы поглощения.
out
out
in
out
thr
out
out
thr
out
3
3
3
3
На фиг. 3 представлены результаты расчетов временных зависимостей выходной мощности P излучения жидкостного лазера на длинах волн λ = 1003 (1) и 1029,5 нм (2) и мощности диодной накачки P (3) жидкостного лазера на иттербий содержащей активной среде. На λ = 1003 нм оптимальная генерация достигается при пропускании выходного зеркала 0,05; порог генерации P = 1,15 Дж/см; выходная энергия генерации E = 3,7 Дж/см и оптический КПД ≈ 53%. На λ = 1029.5 нм оптимальная генерация достигается при пропускании выходного зеркала 0.01, порог генерации P = 1.16 Дж/см, выходная генерации E = 2.25 Дж/см и оптический КПД ≈ 32%.
Сравнение показывает, что оптический КПД жидкостного иттербиевого лазера с диодной накачкой многократно больше, чем полученный ранее КПД неодимового лазера, 6% [Mi L., Yali W., Chunling L. et al. Output Characteristic Research of Inorganic Liquid Laser System Pumped with Laser Diode Array // Acta Optica Sinica. 2011. V. 31. №2. P. 135-138].