Полифункциональный монокристаллический материал для лазеров

 

Использование: изобретение относится к полифункциональным монокристаллическим материалам, получаемым по единой технологии и на единой основе и предназначенным для получения элементов твердотельных ИК-лазеров, преобразователей частоты стимулированного излучения, а также твердотельных лазеров с самоудвоением частоты генерации. Сущность: для расширения функциональных возможностей кристаллический материал на основе редкоземельного скандиевого бората в качестве редкоземельного элемента содержит церий в соответствии с формулой Ce_1-xR_xM₃(BO₃)₄, где R - гадолиний и/или неодим, М - скандий или скандий и хром, а 0 < x < 1. 4 табл.

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности к монокристаллам для высокоэффективных неодимовых лазеров, позволяющих получить стимулированное излучение (СИ) с длиной волны 1,06 мкм, для преобразователей частоты генерации (ПЧГ) лазеров, способных умножать частоту СИ, и для неодимовых лазеров с самоудвоением частоты генерации (СЧГ), работающих без дополнительного элемента на длине волны второй гармоники.

Такие монокристаллы можно получать на единой основе и по единой технологии, а применять по различным назначениям. Особый интерес представляет их применение в качестве комбинированной среды, позволяющей одновременно получать эффект СИ и ПЧГ, т.е. в качестве среды с эффектом СЧГ [1] Эффект СЧГ позволяет идти дальше по пути миниатюризации твердотельных лазеров, создания элементов интегральной оптоэлектроники, за счет уменьшения числа элементов устройства повышает его надежность, воспроизводимость и стабильность параметров.

Среди материалов, применяемых в этой области и по данному назначению [2] выделяется, как наиболее эффективный материал редкоземельный алюмоборат (РАБ) с химической формулой RAl₃(BO₃)₄, где R Gd или Y, содержащий для получения СИ и СЧГ активатор неодим [3-5] или не содержащий его, если нужно добиться лишь ПЧГ.

К недостаткам данного материала относится сложность его синтеза, поскольку получают его раствор расплавными способами со скоростями не более 1 мм в сутки [6, 7] Наиболее близок к изобретению монокристаллический материал на основе редкоземельного скандиевого бората (РСБ), который в общем случае описывается химической формулой RSc₃(BO₃)₄, где R редкоземельные элементы и их композиции. В частности известен лантанскандиевый борат (ЛСБ) с неодимом и/или хромом LaSc₃(BO₃)₄-Cr, Nd, который выращивают из собственного расплава со скоростями 1-3 мм/ч. Кристаллы ЛСБ с неодимом и/или хромом обладают высоким генерационным поперечным сечением, низким порогом и высоким КПД генерации, характеризуются слабым концентрационным тушением люминесценции и высокой предельной концентрацией активаторов. Спектрально-люминесцентные и генерационные исследования этих кристаллов указывают на возможность создания на их основе новых высокоэффективных малогабаритных лазеров с ламповой, диодной и солнечной накачками [8, 9] Дальнейшие исследования показали, что кристаллы на основе материала ЛСБ обладают ограниченными функциональными возможностями, а именно их невозможно применить для ПЧГ и для СЧГ. Причина этого заключается в том, что нелинейные свойства у ЛСБ Nd появляются лишь при концентрации неодима не менее 70-80% [10] При этом эффект ПЧГ и СЧГ незначителен из-за сильного поглощения неодимом излучения второй гармоники. В отсутствие неодима или при его содержании 1-10 мол. что необходимо для ПЧГ или СЧГ, соответственно материал на основе ЛСБ не проявляет нелинейных свойств.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей монокристаллических материалов для лазеров. Это достигается тем, что монокристаллический материал для лазеров на основе редкоземельного скандиевого бората содержит в качестве редкоземельного элемента церий в соответствии с формулой Ce_1-xR_xM₃(BO₃)₄ где R неодим и/или гадолиний, М скандий или скандий и хром, а 0 < x < 1. Если требуется получить лазерные кристаллы на основе церийскандиевого бората (ЦСБ) с эффектом СИ, то в качестве R выбирают неодим. Для получения кристаллов ЦСБ с эффектом ПЧГ требуется выбрать R в виде гадолиния. Если требуется применить кристаллы ЦСБ для лазеров с СЧГ, требуется в качестве R взять Gd и Nd. Кристаллы ЦСБ для лазеров с п-п накачкой содержат в качестве М скандий, а с ламповой скандий и хром.

Кристаллы на основе ЦСБ с кристаллохимической точки зрения отличаются от ЛСБ меньшим ионным радиусом редкоземельного катиона (Ce 1,01 , La 1,04 ). Поэтому, если добавить небольшую долю ионов Gd, то структура кристаллов модифицируется из центросимметричной с пр. гр. С2/с в ацентричную с пр. гр. R32. И они приобретают нелинейные свойства.

Монокристаллы церийскандиевого бората могут быть получены различными способами. Нами для опытной проверки применялся метод вытягивания по Чохральскому из иридиевых и платиновых тиглей в инертной атмосфере. Шихту получали смешением и тщательной гомогенизацией смеси оксидов церия, скандия и бора высших квалификаций и при необходимости оксидов неодима, гадолиния и хрома с последующим прессованием в таблеты и наплавлением в тигель. Скорость вытягивания выбирали в диапазоне 1-3 мм/ч обратно пропорционально содержанию гадолиния. Составы полученных монокристаллов и некоторые их свойства приведены в табл. 1.

Монокристаллы по примерам 1-5 содержат в качестве R Gd. Нелинейные свойства становятся заметны при содержании Gd 15 мол. (пример 2). Наилучшая эффективность преобразования частоты СИ получена при содержании Gd 20 мол. (пример 3). При содержании Gd свыше 50 мол. происходит разложение расплава и кристаллы не удается получить (пример 5).

Монокристаллы по примерам 6-9 содержат в качестве R неодим и пригодны для лазеров с длиной волны 1,062 или 1,342 мкм (табл. 2). При содержании неодима свыше 50 мол. кристаллы приобретают нелинейные свойства, однако не могут применяться для ПЧГ и СЧГ из-за высокой концентрации неодима (примеры 8, 9), но пригодны для мини- и микролазеров. Если применяется ламповая накачка, то кристаллы содержат хром (примеры 10-12). При содержании хрома 30 мол. качество кристаллов становится неудовлетворительным. Оптимальное содержание неодима 10 мол. хрома 1 мол. (пример 10).

Монокристаллы по примерам 13, 14 содержат неодим и гадолиний. Гадолиний модифицирует структуру и придает ей нелинейные свойства. Содержание неодима выбирают невысоким (3-6 мол.), чтобы предотвратить перепоглощение на частоте второй гармоники. Такие монокристаллы применяют для лазеров с СЧГ.

Монокристаллы по примеру 15 содержат оптимальные концентрации Gd и Cr и применяют для лазеров с ламповой накачкой и длиной волны генерации 0,85 - 0,855 мкм (табл. 3).

Монокристаллы по примеру 16 содержат оптимальные концентрации Gd, Cr и Nd и применяются для лазеров с длиной волны 1,061 или 1,338 мкм (табл. 2) и ламповой накачкой.

Как следует из табл. 4 физические свойства ЦСБ близки к свойствам ЛСБ [8-10] Центросимметричные моноклинные кристаллы ЦСБ с неодимом по своим генерационным и спектрально-люминесцентным свойствам (табл. 2) практически не отличаются от моноклинных кристаллов ЛСБ Nd [9,10] Ацентричные тригональные кристаллы с гадолинием по некоторым параметрам превосходят моноклинные, например, по сечению дополнительного генерационного перехода ⁴F_3/2_→⁴I_13/2 (табл. 2).

В табл. 3 приведены параметры ЦСБ Cr и ЦСБ Gd, Cr. Отметим, что параметры ЛСБ Cr и ЦСБ Cr близки. Параметры ЦСБ Gd, Cr отличаются от ЦСБ Cr или ЛСБ Сr, в частности, ЦСБ Gd, Cr обладает при комнатной температуре квантовым выходом люминесценции близким единице и большим сечением генерационного перехода (табл. 3).

Испытания проводили на плоскопараллельных полированных пластинах толщиной 1 мм, вырезанных из кристаллов по вышеуказанным примерам. Генерацию СИ получали в непрерывном режиме с накачкой лазером на ионах Ar⁺. Резонатор собирали из двух зеркал с радиусом кривизны 50 мм с коэффициентами отражения на длине волны 1,06 мкм 100 и 97% Излучения фокусировали при помощи линзы с фокусным расстоянием 300 мм в перетяжку с диаметром 0,15 мм. Длину волны генерации регистрировали при помощи монохроматора СДЛ-1 и приемника ФЭУ-62. Порог генерации на длине волны 1,062 и 1,061 мкм для образцов по примерам 7 и 16 соответственно составил около 0,1 Вт и около 0,2 Вт для образца по примеру 14.

Преобразование частоты генерации (генерацию второй гармоники) наблюдали визуально при помощи облучения образцов пластин и монокристаллических блоков излучением импульсного ИАГ лазера с длиной волны 1,06 мкм, работающего в режиме синхронизации мод с энергией импульса около 0,2 Дж. В таких условиях было зарегистрировано преобразование частоты излучения во 2-ю гармонику на образцах по примерам 2-4, 8-9, 13-16. Сравнение эффективности преобразования во 2-ю гармонику проводили при помощи монохроматора СДЛ-1, приемника ФЭУ-62, осциллографа С1-79, стопы фильтров, поглощающих излучение с длиной волны 1,062 мкм ИАГ Nd лазера, путем помещения пластин LiNbO₃ и пластины ЦСБ Gd (пример 3) одинаковой толщины перед щелью монохроматора в одинаковой геометрии эксперимента. Установлено, что ЦСБ Gd по эффективности ПЧГ во вторую гармонику не уступает ниобату лития.

Испытания показали, что в зависимости от R предлагаемые монокристаллы проявляют эффект преобразования частоты излучения, генерации стимулированного излучения, либо оба эти эффекта вместе, т.е. являются полифункциональными.

Поскольку предлагаемые монокристаллы совмещают оба эффекта, обладают более высокими спектрально-люминесцентными и генерационными параметрами, то следует заключить, что они более перспективны для создания лазеров с полупроводниковой, ламповой и солнечной накачкой, чем монокристаллы по прототипу.

Формула изобретения

Полуфункциональный монокристаллический материал для лазеров на основе редкоземельного скандиевого бората, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного элемента он содержит церий в соответствии с формулой Ce_1-xR_xM₃(BO₃)₄, где R гадолиний и/или неодим, M скандий или скандий и хром, 0<x<1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3