Активная среда высокоэнергетичного прокачного жидкостного лазера с диодной накачкой
ACTIVE MEDIUM OF A HIGH-ENERGY DIODE-PUMPED LIQUID TRANSPORT LASER

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов и может быть использовано в качестве активной среды при создании прокачных лазеров с диодной накачкой.
3
2
2
3
4
4
2
2
3
3
2
3
Известна активная среда [US 3779939 А, 1973. Liquid laser solution formed with a neodymium salt in phosphorus oxychloride] жидкостного лазера с диодной накачкой, которая состоит которая состоит из растворенных в оксихлориде фосфора POCl дихлорфосфата неодима Nd(POCl) и тетрахлорида циркония ZrCl, который находится в количестве, позволяющем оптимизировать растворимость и люминесценцию дихлорфосфата неодима. Причем молярное соотношение ZrCl/Nd(POCl) должно быть не меньше 1, а дихлорфосфат неодима образуется при растворении трифторацетата неодима Nd(CFCO) в оксихлориде фосфора.
Недостатки такой активной среды: высокая токсичность, относительно большая вязкость и замерзание активной среды при минусовых (отрицательных) температурах, свойственные используемому жидкому растворителю - оксихлориду фосфора, а также относительно большая для высокоэнергетичного лазера потеря энергии накачки, обусловленная спектрально-люминесцентными характеристиками неодима.
3
2
3
3
2
3
4
3
Наиболее близкая к предложенной активная среда [RU 2723162 С1, 2019. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой] жидкостного лазера с диодной накачкой на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса содержит иттербий. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении соединения иттербия в оксихлориде фосфора. В данном патенте представлены соотношения компонентов активной среды для двух частных случаев. В одном случае в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид циркония, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO). В другом частном случае в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид олова, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO) или перхлората иттербия Yb(ClO).
В указанном техническом решении имеются следующие недостатки:
- во-первых, высокая токсичность оксихлорида фосфора, I класс опасности [1], создает технологические трудности в приготовлении и эксплуатации и ограничивает возможность использования активных сред;
- во-вторых, относительно большая вязкость оксихлорида фосфора; вязкость многократно возрастает с увеличением концентрации активатора вследствие полимеризации, активные среды теряют текучесть, и при концентрации активатора более 3 масс. % прокачка активной среды на основе оксихлорида фосфора практически невозможна;
- в-третьих, при переходе к минусовым (отрицательным) температурам растворы оксихлорида фосфора замерзают, и эксплуатация лазера становится невозможной.
Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а именно, уменьшении токсичности, уменьшении вязкости активной среды прокачных лазеров с диодной накачкой и расширении диапазона жидкого состояния активной среды в область минусовых (отрицательных) температур.
Технический результат - уменьшение воздействия вредных веществ на персонал, прокачка активной среды с большой концентрацией иттербия и эксплуатация лазера при минусовых (отрицательных) температурах.
Для исключения указанных недостатков в активной среде жидкостного лазера с диодной накачкой предлагается:
- использовать оксихлорид серы в качестве жидкого растворителя;
- иттербий связать в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении определенного соединения иттербия.
В частных случаях приготовления активной среды предлагается:
2
3
3
2
- во-первых, в качестве оксихлорида серы использовать тионилхлорид SOCl; в качестве кислоты Льюиса использовать трихлорид галлия GaCl; тионилхлорид, трихлорид галлия и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов масс. %: иттербий - 0,5-8; трихлорид галлия, GaCl - 2-45; тионилхлорид, SOCl - остальное;
3
- в первом варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении хлорида иттербия YbCl;
3
2
- во втором варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl⋅nHO;
3
2
3
- в третьем варианте первого частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO);
2
5
5
2
3
2
- во-вторых, в качестве оксихлорида серы использовать тионилхлорид SOCl; в качестве кислоты Льюиса использовать пентахлорид сурьмы SbCl; тионилхлорид, пентахлорид сурьмы и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-2; пентахлорид сурьмы, SbCl - 40-73; тионилхлорид, SOCl - остальное; люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl⋅nHO;
2
2
3
2
2
- в-третьих, в качестве оксихлорида серы использовать оксихлорид серы(VI), сульфурилхлорид, SOCl; в качестве кислоты Льюиса использовать трихлорид галлия; сульфурилхлорид, трихлорид галлия и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-4; трихлорид галлия, GaCl - 5-54; сульфурилхлорид, SOCl - остальное;
3
- в первом варианте третьего частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении хлорида иттербия YbCl;
3
2
3
- во втором варианте третьего частного случая люминесцирующий гетерокомплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO).
Сущность изобретения заключается в следующем.
Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой содержит иттербий, кислоту Льюиса и оксихлорид серы в качестве жидкого растворителя. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении соединения иттербия.
Такая активная среда может быть использована в прокачных жидкостных лазерах с диодной накачкой для получения большого количества лазерного излучения большой мощности, при которых твердотельные активные среды разрушаются.
рз
2
рз
3
3
Оксихлориды серы относят ко II классу опасности [1]: для тионилхлорида максимальная разовая ПДК=0,3 мг/м; для сульфурилхлорида параметры контроля не установлены, контролируются продукты разложения, в первую очередь, HCl и SO, ПДК=5 и 10 мг/м соответственно (табл.), т.е. оксихлориды серы значительно менее токсичны, чем оксихлорид фосфора.
-3
-3
20°
-3
20°
-6
2
3
Вязкость индивидуальных растворителей при комнатной температуре, 0,607⋅10 и 0,684⋅10 Па⋅с для тионилхлорида и сульфурилхлорида соответственно [2], существенно меньше, чем вязкость POCl (табл.); вязкость активной среды на основе оксихлорида серы пропорциональна концентрации иттербия и при всех заявленных соотношениях компонентов в разы меньше вязкости активных сред на основе оксихлорида фосфора [3]: динамическая вязкость заявленной активной среды η<5⋅10 Па⋅с, а кинематическая вязкость ν<2⋅10 м/с.
Низкая отрицательная температура плавления, - 104,5 и - 54,1°С для тионилхлорида и сульфурилхлорида соответственно [2] (табл.), обусловливает низкую температуру замерзания и значительное расширение диапазона жидкого состояния активной среды на основе оксихлорида серы в область минусовых (отрицательных) температур. Начало рабочего интервала температур, в котором осуществляется прокачка активной среды, в случае использования тионилхлорида и трихлорида галлия t°<-60°С, в случае использования тионилхлорида и пентахлорида сурьмы t°<-30°С, в случае использования сульфурилхлорида и трихлорида галлия t°<-20°С. Таким образом, во всех трех случаях нижняя граница рабочего интервала температур заявленной активной среды значительно ниже 0°С.
Кислота Льюиса необходима для растворения исходного соединения иттербия и образования люминесцирующего гетерокомплекса.
В случае использования тионилхлорида и трихлорида галлия люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении безводного хлорида иттербия, кристаллогидрата хлорида иттербия или трифторацетата иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-8 масс. %; трихлорид галлия - 2-45 масс. %; тионилхлорид - остальное.
В случае использования тионилхлорида и пентахлорида сурьмы люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-2 масс. %; пентахлорид сурьмы - 40-73 масс. %; тионилхлорид - остальное.
В случае использования сульфурилхлорида и трихлорида галлия люминесцирующий гетерокомплекс образован при растворении безводных хлорида или трифторацетата иттербия при следующих соотношениях компонентов: иттербий - 0,5-8 масс. %; трихлорид галлия - 2-45 масс. %; сульфурилхлорид - остальное.
3+
В указанных для каждого случая сочетаниях оксихлорида серы, кислоты Льюиса и исходного соединения иттербия достигаются наибольшая концентрация Yb в заявленной активной среде и ее наилучшие технические характеристики.
Указанные для каждого случая соотношения компонентов обеспечивают устойчивые характеристики активной среды и ее практическую применимость.
В таблице приведены свойства индивидуальных растворителей, которые определяют указанные преимущества заявленной жидкой активной среды.
3+
3+
g
Заявленная активная среда была использована для приготовления нескольких образцов для каждого рассматриваемого случая. Получены экспериментальные данные о физико-химических, спектрально-люминесцентных и лазерных свойствах образцов активной среды, включая люминесцентное время жизни т возбужденного состояния Yb и спектральные зависимости сечений усиления σ(λ) в условиях диодной накачки при разной относительной инверсной населенности возбужденного состояния Yb. Примеры конкретного осуществления активной среды.
2
3
3
2
3
3+
20°
-6
2
3+
Пример 1. Активная среда на основе тионилхлорида и трихлорида галлия, SOCl-GaCl-Yb, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 4, трихлорид галлия - 34, тионилхлорид - 62. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении трифторацетата иттербия Yb(CFCO). Кинематическая вязкость ν=1,4⋅10 м/с; начало рабочего интервала температур t°<-70°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb τ=0,6 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=2,58 и K(1003 нм)=3,51.
2
5
3
2
3+
20°
-6
2
3+
Пример 2. Активная среда на основе тионилхлорида и пентахлорида сурьмы, SOCl-SbCl-Yb, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 1, пентахлорид сурьмы - 71, тионилхлорид - 28. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении кристаллогидрата хлорида иттербия YbCl⋅nHO. Кинематическая вязкость ν=1⋅10 м/с; начало рабочего интервала температур t°<-30°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb τ=0,3 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=0,65 и K(1003 нм)=0,88.
2
2
3
3
3+
20°
-6
2
3+
Пример 3. Активная среда на основе сульфурилхлорида и трихлорида галлия, SOCl-GaCl-Yb, которая содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 3, трихлорид галлия - 30, сульфурилхлорид - 67. Иттербий связан в люминесцирующий гетерокомплекс, образованный при растворении хлорида иттербия YbCl. Кинематическая вязкость ν=1,2⋅10 м/с; начало рабочего интервала температур t°<-30°С; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb τ=0,7 мс; коэффициенты усиления в максимумах K(981 нм)=1,84 и K(1003 нм)=2,23.
Совокупность существенных признаков заявленной активной среды высокоэнергетичного прокачного жидкостного лазера с диодной накачкой обеспечивает ее воспроизводимое приготовление, уменьшает воздействие вредных веществ на персонал, позволяет осуществить прокачку активной среды с большой концентрацией иттербия и эксплуатацию лазера при минусовых (отрицательных) температурах.
Список использованных источников:
1. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны, таблица 2.1. Санитарные правила и нормы СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания". Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 28 января 2021 года N 2.
2. Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др. - М.: Советская энциклопедия, 1995. - Т. 4 (Пол-Три). - 639 с.
3. Аникиев Ю.Г., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б. Лазеры на неорганических жидкостях. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 248 с.