МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ДИСКОВОГО ЛАЗЕРА
MONOCRYSTALLINE MATERIAL FOR DISC LASER

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности для твердотельных дисковых лазеров с диодной накачкой.
3
5
12
р
3+
Среди материалов для активированных лазерных элементов с полупроводниковой накачкой наибольшее распространение получили элементы из монокристаллов YAlO (YAG), активированные различными ионами редкоземельных элементов. Например, широкое применение кристаллов YAG:Nd обусловлено сочетанием максимальных пиковых показателей сечения излучения и поглощения в спектральном диапазоне 0,8-1,06 мкм, высокой оптической однородностью и эксплуатационными характеристиками (высокая теплопроводность, малый коэффициент теплового расширения, высокая твердость и др.). Однако для создания мощных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой наиболее приемлемыми являются кристаллы YAG:Yb с длиной волны генерации λ=1,029 мкм (длина волны накачки λ=0,97 мкм), позволяющие получать квантовую эффективность до 89%. Такой выбор определяется, прежде всего, меньшими стоксовыми потерями по сравнению с материалом YAG:Nd и, как следствие, меньшими потерями энергии на негативные тепловые эффекты с повышением мощности накачки оптического излучения. К негативным тепловым эффектам в активных элементах относятся оптические искажения и механические разрушения. [Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой / Н.В. Кравцов // Квантовая электроника.-2001. - Т. 31. - №8. - С. 661-677].
0,6
0,06
2,34
2
4
3
-1
Известен монокристаллический алюмоиттриевый гранат, Yb:Er:YAl(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].
3+
3+
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.
3+
Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является алюмоиттриевый гранат YAG:Yb с концентрацией оптической примеси равной 15%, применяемый в качестве активного элемента (АЭ) в дисковых лазерах. [K. Contag, U. Brauch, A. Giesen, I. Johannsen, M. Karszewski, U. Schiegg, C. Stewen, A. Voss. Multihundred-watt diode-pumped Yb:YAG thin disc laser. - (Proceedings Paper). - Proceedings 1997. - Vol. 2986. - Solid State Lasers VI. - Richard Scheps, Editors. - рр. 2-9]. Так как поглощение оптических центров Yb, порядка 90% торцевой накачки, излучение поглощается на расстоянии 3-5 мм длины активного элемента. Поэтому в дисковых лазерах толщина активного элемента на монокристаллическом материале YAG:Yb не превышает 200 мкм, что дополнительно позволяет обеспечивать продольному лазерному излучению температурный градиент в активной среде и позволяет сохранять достаточно высокое качество лазерного излучения при увеличении плотностей мощности излучения накачки.
Однако при увеличении мощности оптического излучения накачки полностью избавиться от эффекта оптических искажений в материале активного элемента с распределением температурного поля между многослойной системой металл-диэлектриков и материалом активного лазерного элемента не удается.
Для предотвращения нежелательных тепловых эффектов необходимо обеспечить одно из условий:
- или эффективный отвод тепла от активного элемента;
- или условия для равномерного перераспределения теплового поля между активным лазерным элементом и многослойными металл-диэлектрическими покрытиями (количество слоев более 30) с минимальными температурными сопротивлениями.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является сглаженное распределение теплового поля внутри АЭ (отсутствие тепловой линзы) и увеличение предельного размера генерируемого объема в АЭ.
Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия, исходные компоненты взяты в соответствии со структурной формулой:
a(z)
3
a(z)
5
I2
Yb:Y.Al0,
где:
- функция изменения концентрационного профиля,
z - ось направления формирования концентрационного профиля кристалла, 0<z<l,2.
В заявляемом монокристаллическом материале и в прототипе исходные компоненты взяты одинаковые, а отличаются они их количественным составом и его распределением по длине активного элемента, что обеспечивает заявляемый технический результат.
На фиг. 1 представлены графики концентрационных профилей распределения ионов иттербия вдоль длины кристалла, а именно:
z
=3,509e - 2,8395 - функция изменения концентрационного профиля по убывающей экспоненте - график 1
- функция изменения концентрационного профиля по усеченной параболе - график 2;
- функция изменения концентрационного профиля по линейно нарастающему закону - график 3;
20
-3
числовые коэффициенты в функции a(z) для концентрационных профилей подобраны таким образом, чтобы средняя степень легирования активного элемента соответствовала 3,5·10 см.
На фиг. 2 изображены распределения теплового поля в градиентно активированных элементах с различными функциями a(z) концентрационных профилей оптических центров.
На фиг. 3 изображен концентрационный профиль оптической примеси, в процессе выращивания градиентно активированного кристалла.
3+
3
5
12
Получали образцы монокристаллического материала по способу, описанному в патенте RU №2402646, МПК С30В 15/20 (2006.01), С30В 15/02 (2006.01), С30В 15/12 (2006.01), опубл. 27.10.2010. Шихта алюмоиттриевого граната состава Yb:YAlO изготавливалась из оксида иттрия массой 201,56 г и оксида алюминия массой 151,69 г. При расчете шихты рассчитывали массу расплава в тигле-реакторе по формуле (2), при учете глубины погружения тигля-реактора диаметром 3,2 см в расплав основного тигля на величину 1 см.
где:
i
S - площадь поперечного сечения тигля-реактора;
ρ - плотность расплава.
3+
Для обеспечения заданного концентрационного профиля (фиг. 1, график 2) ионов Yb в расплав тигля-реактора досыпали 1,49 г оксида иттербия.
Линейная скорость вытягивания кристалла 1 мм/ч, линейную скорость опускания тигля-реактора во время вытягивания изменяли от 0 мм/ч до 0,11 мм/ч.
Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава вычисляли в соответствии с выражением:
где:
c
N - число частиц в кристалле;
c
m - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла, г;
i
N - число частиц в тигле-реакторе;
i
m - масса расплава в тигле-реакторе, г;
k - коэффициент вхождения компонента из расплава в кристалл;
- параметр подпитки;
1
V - массовая скорость расплава, поступающего из основного тигля в тигель-реактор, г/ч;
cr
V - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.
Распределение концентраций ионов иттербия вдоль длины кристалла представляет собой зависимость, представленную на фиг. 3.
3+
3
5
12
Влияние концентрационного профиля ионов Yb в монокристаллических оксидных матрицах YAlO на распределение теплового поля и тепловые градиенты в активированных элементах представлены в таблице 1.
Расчеты профиля теплового поля в активном элементе 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. Увеличение эффективности накачки при использовании градиентно сенсибилизированных лазерных кристаллов / Е.В. Строганова, В.В. Галуцкий, Д.С. Ткачев, Н.Н. Налбантов, Н.А. Яковенко // Оптика и спектроскопия. - 2014. - Т. 117. - №6. - С. 1012-1017].
3+
Расчет распределения теплового поля внутри активного элемента из YAG:Yb в виде диска с постоянной концентрацией ионов Yb был представлен в работе [Fan Т.Y. Optimizing the efficiency and stored energy in quasi-three-level lasers / T.Y. Fan // IEEE journal of quantum electronics. - December 1992. - Vol. 28. - №12. - p. 2692-2697], где качественная картина распределения теплового поля представляет собой несимметричную параболу, с максимумом на некотором расстоянии от края диска (тепловая линза).
Для расчета распределения теплового поля по координатам кристалла была рассмотрена система дифференциальных уравнений (4), дополненная уравнением теплопроводности (5) с граничными условиями 3-го рода для одномерного случая.
где:
T(z) - температура кристалла в соответствующей координате;
q(z) - суммарная объемная плотность мощности источников тепловыделения внутри кристалла, из системы уравнений (1), она равна dI/dz - производной интенсивности накачки, рассеянной при безызлучательном переходе;
-1
-1
λ - коэффициент теплопроводности для YAG равен 0,14 Вт·см·K;
2
f
α - коэффициент теплообмена между активным элементом и окружающей средой (зависит от геометрии теплообмена и охлаждающей среды), для материала активного элемента, изготовленного из YAG, полагали его равным 0,5, 0,6 и 0,7 Вт/(см·K), Т(0) и T(h) - температуры боковых поверхностей активного элемента при z=0 и z=h (0<z<1,2 [см]), T - температура окружающей среды равна 300 K.
-3
20
-3
Для численного решения системы из уравнений (4), (5) применялся метод конечных разностей с шагом 4·10 см. Так как характерные времена распространения t теплового поля малы по сравнению с длительностью импульса τ, то уравнение теплопроводности является квазистационарным. Нами были выбраны экспоненциальный, нарастающий, параболический концентрационные профили, представленные на фиг. 1, при значении постоянной концентрации равной 3,5 10 см.
и
При импульсной накачке с частотой следования импульсов f=10 Гц, согласно расчетам энергия импульса накачки Е=0,3 Дж и длительностью импульса 300 мкс (3-уровневая схема).
2
Как видно из фиг. 2а), распределение теплового поля для кристалла с постоянным концентрационным профилем представляет собой несимметричную параболу, с максимумом на некотором расстоянии от торцов кристалла. Для каждого концентрационного профиля и постоянной концентрации представлены три кривые, которые отличаются коэффициентами теплообмена с торцов дискового АЭ α равными 0,5, 0,6 и 0,7 Вт/(см·K) соответственно. При экспоненциальном концентрационном профиле (фиг. 1, кривая 1) качественная картина распределения остается практически неизменной, фиг. 2б).
Нарастающий концентрационный профиль (фиг. 1, кривая 3), в котором, при распространении накачки, сглаживается эффект «тепловой линзы», имеет худшую по сравнению с постоянным концентрационным профилем картину распределения теплового поля по длине кристалла. Такая картина наблюдается вследствие того, что основная часть излучения будет поглощаться в центре кристалла, где теплоотвод затруднен, фиг. 2в).
При параболическом концентрационном профиле (фиг. 1, кривая 2) наблюдается сильное сглаживание температурного градиента, фиг. 2г). Около 80% длины АЭ находится в среднем при одинаковой температуре, размах температурной нелинейности ΔT не превосходит 8K, при условии, что температура окружающей среды составляет 300K.
3+
3+
Как видно из таблицы 1, материалы с однородным легированием ионов Yb по длине активного элемента (пример №1 таблицы 1, фиг. 2а)) демонстрируют неравномерное распределение теплового поля внутри активного элемента, с максимальным градиентом температуры ΔТ порядка 80K. Распределение имеет вид параболы с максимальным значением температуры поля (Т~380K), смещенным к центру активного элемента. Такое смещение к центральной части максимума теплового распределения затрудняет теплоотвод и способствует развитию эффекта «тепловой линзы». Подобные процессы происходят и для материалов с распределением концентрации ионов Yb по экспоненциальному закону (пример №2 таблицы 1, фиг. 2б)) и по нарастающему закону (пример №3 табл. 1, фиг. 2в)). В образцах, представленных в примерах 2 и 3 таблицы, при нарастающем профиле максимальная температура достигает значений порядка 400K с градиентом ΔТ=100K, а при экспоненциальном - 320K, с градиентом ΔТ=20К.
Оптимальные параметры распределения теплового поля в монокристаллическом материале в примере №4 таблицы 1, что видно из фиг. 2г). При параболическом концентрационном профиле оптических центров тепловое поле распределяется практически на весь активный элемент, демонстрируя сглаженный вид. Градиент температур в таком активном элементе составляет ΔТ=9K, при этом невыраженные максимумы распределения располагаются близко к торцам активного элемента, что значительно упрощает процесс теплоотвода. Из-за сглаженного распределения температурного поля эффект «тепловой линзы» в активном элементе не развивается.
Таким образом? предложен новый монокристаллический материал для активного элемента дискового лазера, позволяющий без усложнения конструкции АЭ отводить тепло и компенсировать эффект тепловых линз за счет материала АЭ, что повышает эффективность лазера.