ЛАЗЕРНОЕ ВЕЩЕСТВО
LASER MATERIAL

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра.
3+
3+
Известно, что одним из перспективных способов получения перестраиваемого по частоте лазерного излучение УФ-диапазона является использование межконфигурационных 5d-4f переходов ионов лантаноидов, внедренных в широкозонные диэлектрические кристаллы. В то же время, из-за эффектов поглощения из возбужденных состояний и образования центров окраски под действием излучения накачки, УФ лазерная генерация реализована лишь на нескольких кристаллических активных средах [1]. Бороться с образованием центров окраски под действием излучения накачки для некоторых кристаллических материалов удается кристаллохимическим методом, заключающимся в соактивации образцов ионами Yb и Lu[2], [3]. Однако данный метод не является универсальным, т.к. эффекты уменьшения коэффициента поглощения индуцированных излучением накачки центров окраски не всегда наблюдаются в желаемой спектральной области, или же происходит изменение валентности соактиваторных ионов, сопровождающееся возникновением новых полос поглощения в области возможной лазерной генерации [4].
2
8
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по совокупности совпадения характерных признаков и достигаемых результатов, является кристалл BaYF, активированный ионами церия [5].
2
8
2
8
3+
3+
По данным [5] кристаллы BaYF, активированные ионами Ce, в условиях импульсной накачки излучением XeCl-лазера, обладают способностью кратковременно усиливать ультрафиолетовое излучение в области 345 нм. Однако вследствие образования и накопления под действием излучения накачки долгоживущих центров окраски, обладающих поглощением в области длин волн возможной лазерной генерации (300-400 нм), коэффициент усиления оптического излучения в области 5d-4f переходов церия на длине волны 345 нм уменьшается с каждым актом накачки. В результате, после нескольких десятков импульсов накачки, эффект усиления УФ-излучения сменяется эффектом поглощения [5]. Именно по этой причине лазерная генерация, в ультрафиолетовом диапазоне с использованием в качестве рабочих переходов межконфигурационных 5d-4f переходов ионов Ce в кристаллах BaYF, реализована не была.
2
8
3+
Целью изобретения является создание лазерного вещества на основе кристалла двойного фторида бария и иттрия (BaYF), активированного ионами церия, использующего в качестве рабочих переходов межконфигурационные 5d-4f переходы ионов Ce.
2
8
3+
3+
Поставленная цель достигается тем, что помимо ионов церия в кристаллы BaYF дополнительно вводятся ионы иттербия и лютеция. Концентрация дополнительно вводимых ионов Yb и Lu составляет, соответственно, от 0,5 до 5 ат.% и 1-5 ат.%. При этом, по сравнению с кристаллом прототипа, обеспечивается:
1) уменьшение коэффициента потерь (коэффициент поглощения центров окраски) в области длин волн 300-400 нм, наведенных излучением накачки, от 1,5 до 2,7 раза;
2
8
2) реализация эффекта лазерной генерации на межконфигурационных 5d-4f переходах ионов церия в кристаллах BaYF.
2
8
Новизна заявляемого лазерного вещества состоит в том, что для кристаллов данного химического состава (BaYF) УФ лазерная генерация до сих пор реализована не была, и в литературе не обнаружено технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков и приводящих к достижению заявляемых целей.
2
8
3+
3+
3+
Заявляемое лазерное вещество не является очевидным для специалистов, занимающихся поисковыми исследованиями новых активных сред, кристаллы BaYF, активированные ионами Ce и одновременно соактивированные ионами Ybи Lu, ранее не исследовались, что явилось объективной причиной, не позволившей ранее получить заявленный технический результат.
Как показали проведенные эксперименты, в случае промышленного применения заявляемого лазерного вещества с оптимальным содержанием ионов иттербия и лютеция, удается расширить диапазон длин волн, в котором лазерное УФ-излучение может быть получено без использования техники нелинейного преобразования частот лазеров других диапазонов, что, в свою очередь, позволяет сделать более дешевыми, по сравнению с существующими, источники когерентного УФ-излучения.
ПРИМЕР 1.
-5
3+
3+
3+
2
8
0.94
0.04
0.02
4
Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Для того чтобы обеспечить высокую степень чистоты выращиваемых кристаллов, использовались компоненты химической чистоты не менее 99.999%. Шихту помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме (5×10 мм рт.ст.) при температуре 200°C в течение 24 часов. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре 1015°C в течение 4 часов. Рост кристаллов осуществляли в атмосфере газообразного аргона химической чистоты 99.99% и давлении 1300 гПа. Скорость выращивания кристалла составляла 0,5 мм/ч. Скорость вращения тигля вокруг оси составляла 6 об./мин. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6 мм и длиной до 30÷35 мм. Кристаллы не имели окраски, были прозрачными и хорошего оптического качества. Кристаллы ориентировались с помощью методов рентгеновской дифрактометрии. Затем из них изготавливались образцы в виде полированных пластин размером 4×4×1 мм. Расположение кристаллографических осей c и b выбиралось таким образом, чтобы они лежали в плоскости пластин и обеспечивали возможность измерений поляризационно-зависимых оптических свойств образцов. Для сравнительных экспериментов использовали кристалл прототипа BaYF:Ceи кристалл заявляемого химического состава BaYLuYbF:Ce. Концентрация ионов Ce составляла в обоих случаях 0,5 ат.%.
2
Исследование характеристик индуцированного излучением накачки спектров поглощения долгоживущих центров окраски в образцах осуществляли методом зондирования возбужденных образов пробным излучением (метод "накачка-зондирование", в англоязычной литературе - pump-probe experiments). Длина волны накачки составляла 300 нм. Плотность энергии накачки 0,9 Дж/см. В качестве излучения зондирования использовали излучение галогеновой лампы накаливания. Спектры поглощения центров окраски, индуцируемых излучением накачки в кристаллах прототипа и заявляемого химического состава, приведены на фиг.1.
2
8
3+
3+
3+
В случае дополнительного легирования кристаллов BaYF:Ce ионами Ybи Lu с концентрациями, соответственно, 4 и 2 ат.%, коэффициент индуцированных излучением центров окраски в области длин волн 310÷380 нм оказывается в 2,7 раза меньше, чем в кристаллах прототипа.
ПРИМЕР 2.
0.93
0.05
0.02
4
3+
3+
Качество и способы подготовки компонентов шихты, а также условия выращивания кристаллов для экспериментов, направленных на реализацию эффекта лазерной генерации, были идентичными описанным в примере 1. Однако, в отличие от примера 1, выращивание кристаллов осуществлялось «на затравку»: в затравочную камеру тигля помещался ориентированный кристалл того же состава. При этом расположение оптической оси затравки определяло направление оптической оси выращиваемого кристалла. Выращивались образцы химического состава BaYLuYbF:Ce, где концентрация ионов Ce составляла 0,5 ат.% (c=0,5 ат.%), с расположением кристаллографических осей c и b лежащими в плоскости, перпендикулярной направлению роста кристаллов. Размер и оптическое качество полученных кристаллов были такими же, как описанные в примере 1. Из них изготавливались активные элементы, представляющие собой цилиндры с плоскопараллельными основаниями и плоским окном, длиной, равной длине цилиндра, и высотой 4 мм, выполированным на образующей цилиндра. Расположение окна выбиралось таким образом, чтобы кристаллографическая ось b лежала в его плоскости.
2
2
3+
Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси ксенона и хлора с длиной волны излучения 308 нм. Частота следования импульсов накачки - 0,5 Гц. Максимальная плотность энергии накачки на поверхности образца составляла 950 мДж/см. Лазерный резонатор был образован плоскими зеркалами с коэффициентами отражения в области 300÷390 нм, соответственно, 99% и 82%. Порог возбуждения лазерной генерации на длине волны 344 нм составил 52 мДж/см, а дифференциальный КПД генерации - 18%. Выходные характеристики лазера приведены на фиг.2. В кристаллах прототипа лазерную генерацию не удалось получить из-за образования и накопления в образцах долгоживущих центров окраски коэффициент поглощения, которых превышал коэффициент усиления на 5d-4f переходах ионов Ce.
Источники информации
1. Семашко В.В. Проблемы поиска новых твердотельных активных сред ультрафиолетового и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов спектра: роль фотодинамических процессов / В.В.Семашко // ФТТ - 2005 - Т.47 - №8 - С.1450-1454.
3+
4
2. Semashko V.V. Laser properties of the excimer-pumped photochemically stabilized Ce:LiLuF tunable UV active material / V.V.Semashko, M.A.Dubinskii, R.Yu.Abdulsabirov, A.K.Naumov, S.L.Korableva, P.Misra, C.Haridas // Proc. of the Internat. Conf. on LASERS 2000 (Albuquerque, NM, Dec.4-8, 2000), STS Press, McLean, VA - 2001 - P.675-678.
3+
3+
3. Laroche M. Beneficial effect of Lu and Yb ions in UV laser materials / M.Laroche, S.Girard., R.Moncourge, M.Bettinelli, R.Abdulsabirov, V.Semashko // Opt. Materials - 2003 - V.22 - №2. - Р.147-154.
2
3+
3+
4. Низамутдинов А.С. Исследование фотодинамических процессов в кристаллах CaF, активированных ионами Ce и Yb / А.С.Низамутдинов, В.В.Семашко, А.К.Наумов, Р.Ю.Абдулсабиров, С.Л.Кораблева, М.А.Марисов // ФТТ - 2005 - Т.47 - №8 - С.1403-1405.
3+
2
8
5. Каминский А.А. Усиление УФ-излучения на межконфигурационном переходе 5d-4f иона Ce в BaYF / А.А.Каминский, С.А.Кочубей, К.Н. Наумочкин, Е.В.Пестряков, В.И.Трунов, Т.В.Уварова // Квантовая электроника. - 1989. - Т.16. - №3. - С.514-517.