Монокристаллический лазерный стержень и способ его изготовления

 

Использование: в квантовой электронике при изготовлении лазерных стержней (С). Сущность: монокристаллический С из высокотемпературного сложного оксида с активирующей добавкой имеет поверхностный фильтрующий слой, содержащий ионы висмута. Для изготовления С термообрабатывают при 650 - 800^oС в течение не менее 1 ч в порошке из оксида висмута. Температура обработки снижена в два раза, что удешевляет и упрощает процесс при сохранении устойчивости к ультрафиолетовому излучению. 2 с. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при изготовлении лазерных стержней из высокотемпературного сложнооксидного материала.

Одной из важнейших задач улучшения качества лазерных стержней является повышение их устойчивости к УФ-излучению лампы накачки.

Известен способ изготовления лазерного стержня из монокристалла алюмоиттриевого граната, легированного неодимом, включающий стадию механической обработки монокристалла [1] В процессе механической обработки исходный монокристалл разрезают на отдельные заготовки, которые подвергают круглому шлифованию, а затем шлифуют и полируют торцы стержней.

Недостатки полученного таким способом стержня заключаются в его высокой чувствительности к воздействию УФ-излучения лампы накачки. Для защиты от действия УФ-излучения такой стержень требует применения или жидкостных оптических фильтров или твердотельных фильтров, устанавливаемых между стержнем и лампой накачки. Применение таких фильтров снижает КПД лазера, так как они уменьшают способность конденсировать излучение накачки из-за поверхностного отражения и усложняют конструкции и технологии изготовления резонаторов.

Известен способ изготовления лазерного стержня, включающий стадии механической обработки, нанесения и полимеризации защитной пленки из сополимеров [2] Недостатком полученного этим способом стержня является малый КПД лазера вследствие низкой механической и химической устойчивости защитного покрытия.

Известен лазерный стержень, состоящий из высокотемпературного сложнооксидного монокристалла алюмината иттрия с неодимом, поверхностный слой которого содержит ионы металлов, а также способ изготовления этого стержня [3] Ионами металла в данном техническом решении являются ионы железа. Тонкий железосодержащий слой служит фильтром, поглощающим ультрафиолетовое излучение. Процесс получения лазерного стержня содержит стадии вырезания стержня из монокристалла алюмината иттрия, полирования его, погружения стержня в порошок оксида железа, нагревания стержня в порошке до 1200-1400^оС в течение 2-50 ч в атмосфере азота с 5% или менее водорода и полирования противоположных торцов стержня до образования параллельных плоскостей.

Основным недостатком изготовленного этим способом стержня является недостаточная устойчивость к ультрафиолетовому излучению, так как железосодержащий слой отфильтровывает ультрафиолетовое излучение только до λ= 320 нм.

Недостатком этого лазерного стержня и способа его изготовления является высокая температура термохимической обработки.

Цель изобретения снижение температуры процесса при сохранении устойчивости к ультрафиолетовому излучению.

Поставленная цель достигается тем, что в монокристаллическом лазерном стержне из высокотемпературного сложного оксида с активирующей добавкой, содержащем в поверхностном слое ионы металла, согласно изобретению в качестве ионов металла поверхностный слой содержит ионы висмута.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе изготовления монокристаллического лазерного стержня из высокотемпературного сложного оксида с активирующей добавкой, включающем механическую и термохимическую обработки монокристалла в порошке оксида металла, согласно изобретению, термохимическую обработку осуществляют в порошке оксида висмута.

При этом термохимическую обработку в порошке оксида висмута проводят при 650-800^оС в течение 1-50 ч.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый лазерный стержень отличается от известного тем, что поверхностный слой стержня содержит ионы висмута. Заявляемый способ отличается от известного изменением условий термохимической обработки, а именно проведением ее в порошке оксида висмута при 650-800^оС.

Наличие в поверхностном слое лазерного стержня соединений висмута позволяет сохранить устойчивость лазерного стержня к ультрафиолетовому излучению: интервал фильтрации до 450 нм, при этом температура процесса снижается почти в 2 раза.

При термохимической обработке лазерного стержня в порошкообразной засыпке из оксида висмута на поверхности стержня образуется слой, состоящий из висмутатов алюминия по следующим уравнениям реакции: Y₃Al₅O₁₂+12Bi₂O₃ ->> Al₂Bi₂₄O₃₉+3YAlO ₃ (1) Y₃Al₅O₁₂+Bi₂O₃ ->> 2AlBiO₃+3YAlO₃ (2) 2Y₃Al₅O₁₂+Bi₂O₃ ->> Al₄Bi₂O₉+6YAlO₃ (3) Согласно данным рентгенофазового анализа в поверхностном слое основной фазой является алюминат висмута Al₂Bi₂₄O₃₉; при длительных высокотемпературных отжигах появляются AlBiO₃ и Al₄Bi₂O₉.

Температурный интервал термохимической обработки в оксиде висмута обусловлен тем, что при температуре ниже 650^оС оксид висмута не взаимодействует с кристаллом, а при температуре выше 800^оС происходит плавление оксида висмута (t_пл=817^оС).

Временной интервал термохимической обработки обусловлен тем, что при времени менее 1 ч не успевает образоваться слой алюмината висмута необходимой толщины, который обеспечивает защиту лазерного стержня от УФ-излучения лампы накачки. Время обработки более 50 ч приводит к ухудшению КПД и максимальной энергии излучения вследствие возрастания оптической плотности образующегося поверхностного слоя.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Исходный монокристалл разрезают на заготовки. Путем круглого шлифования заготовке придают цилиндрическую форму. Затем образец помещают в порошковую засыпку оксида висмута и нагревают до 650-800^оС. Время термохимической обработки, достаточное для образования на боковой поверхности стержня слоя, состоящего из висмутатов алюминия, составляет 1-50 ч. Затем образец охлаждают, вынимают из порошка оксида висмута и подвергают дальнейшей механической обработке, в процессе которой полируют торцевые поверхности лазерного стержня.

Параметром, определяющим устойчивость лазерных стержней к УФ-излучению лампы накачки, является граница фильтрации, ниже которой пропускание поверхностного слоя становится менее 0,01% Этот параметр определяли для каждого из рассмотренных примеров путем измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания света в диапазоне длин волн 0,2-1,5 мкм на пластинах монокристаллов, обработанных так же, как стержни.

П р и м е р 1. Лазерный монокристаллический стержень из алюмоиттриевого граната с добавкой неодима Y₃Al₅O₁₂(Nd), поверхностный слой которого состоит из висмутатов алюминия.

Лазерный стержень из Y₃Al₅O₁₂(Nd) с размерами 5х50 мм помещают в порошок оксида висмута (Bi₂O₃) и нагревают до 750^оС. Время термохимической обработки 10 ч. Параметры технологического процесса и показатели качества лазерных стержней приведены в таблице.

П р и м е р ы 2-6. Полностью аналогичны примеру 1 по исходному монокристаллическому материалу. В этих примерах варьируются температура и время термохимической обработки в оксиде висмута (см. таблицу).

П р и м е р 7. Лазерный монокристаллический стержень из алюмоиттриевого перовскита с добавкой неодима, поверхностный слой которого состоит из висмутатов алюминия.

Лазерный стержень из YAlO₃(Nd) с размерами 5х50 мм погружают в порошок оксида висмута (Bi₂O₃) и нагревают до 750^оС. Время термохимической обработки 5 часов. Параметры технологического процесса и показатели качества лазерных стержней приведены в таблице.

П р и м е р ы 8, 9. Полностью аналогичны примеру 1. Демонстрируется исчезновение положительного эффекта при выходе за пределы температурного интервала термохимической обработки в оксиде висмута, указанного в формуле изобретения. Обработку проводят при 600^оС (пример 8) и 850^оС (пример 9). Остальные параметры приведены в таблице.

П р и м е р ы 10, 11. Полностью аналогичны примеру 1. Демонстрируется исчезновение положительного эффекта при выходе за пределы временного интервала термохимической обработки, указанного в формуле изобретения. Термохимическую обработку в оксиде висмута проводят в течение 0,5 (пример 10) и 55 часов (пример 11). Остальные параметры приведены в таблице.

Примеры обработки монокристаллических стержней по прототипу (см. таблицу примеры 12 и 13) проводились для лазерных стержней из Y₃Al₅O₁₂(Nd) и YAlO₃(Nd). Термохимическую обработку проводили в порошке оксида индия. Параметры технологического процесса и показатели качества стержней приведены в таблице.

Из таблицы (примеры 1-6) видно, что изготовленные по предлагаемому способу лазерные стержни сохраняют устойчивость лазерных стержней к УФ-излучению лампы.

Использование заявляемого изобретения позволяет удешевить и упростить технологию изготовления стержней за счет снижения температуры процесса ( ≈ в 2 раза).

Формула изобретения

1. Монокристаллический лазерный стержень из высокотемпературного сложного оксида с активирующей добавкой, имеющий поверхностный фильтрующий слой, содержащий ионы металла, отличающийся тем, что, с целью снижения температуры изготовления стержня при сохранении его устойчивости к ультрафиолетовому излучению, в качестве ионов металла поверхностный слой содержит ионы висмута.

2. Способ изготовления монокристаллического лазерного стержня из высокотемпературного сложного оксида с активирующей добавкой, включающий термообработку стержня в порошке оксида металла, отличающийся тем, что, с целью снижения температуры процесса изготовления стержня при сохранении его устойчивости к ультрафиолетовому излучению, в качестве оксида металла используют оксид висмута и термообработку ведут при 650 - 800^oС в течение не менее 1 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1