Пленочный лазерный материал, способ его получения и перестраиваемый лазер

 

Изобретение относится к области лазерной техники и промышленно применимо в перестраиваемых лазерах для целей волоконно-оптической связи и спектроскопии. Решается задача создания термостабильного перестраиваемого лазера повышенной мощности в интегральном исполнении. Лазерный материал на основе германата Ca₂GeO₄, активированный ионами Сr⁴⁺, выполнен в виде пленки и нанесен на подложку 2 из плавленного кварца. Распыляют мишень, содержащую оксиды СаО, GeO₂, Сr₂О₃, в которой на каждый моль оксида германия приходится от 2,0 до 2,4 моля оксида кальция и от 0,1 до 10 мол.% оксида хрома. Лазер состоит из оптического канального волновода 1, сформированного на подложке 2. Волновод нанесен на подложку 2 магнетронным напылением через щелевую маску. Излучение накачки вводится от полупроводникового лазерного диода 3 непосредственно в активный волновод 1 через его торец 4. На торец 4 волновода 1 нанесено дихроичное диэлектрическое покрытие, прозрачное на длине волны накачки и имеющее большой коэффициент отражения на длине волны генерации. Противоположный торец 5 волновода просветлен, а в качестве выходного зеркала используется внешняя поверхность 6 линзы 7 из магнитооптического материала. Катушка электромагнита 8 создает осевое магнитное поле, вызывающее поворот плоскости поляризации при распространении генерируемого излучения в материале линзы. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники и промышленно применимо в перестраиваемых лазерах для целей интегральной оптики, волоконно-оптической связи и спектроскопии.

Известен материал для перестраиваемых лазеров на основе форстерита, активированного ионами Cr⁴⁺ [Yamaguchi Y., Yamagishi К., Nobe Y. The behavior of chromium ions in forsterite. J Cryst. Growth. 1993, v.128, p.996-1000]. Материал выполнен в виде монокристалла и характеризуется формулой Mg₂SiO₄. Время жизни возбужденного состояния ионов Cr⁴⁺ в этом материале составляет 3 мксек.

Недостатком этого материала является малое время жизни возбужденного состояния ионов Cr⁴⁺. определяемое особенностями его кристаллической структуры, что не позволяет обеспечить достаточно высокую мощность лазерного излучения.

Известен материал для перестраиваемых лазеров на основе германата, активированного ионами Cr⁴⁺ [Petricevic V., Bykov А.В., Evans J.M., Alfano R. R. Room temperature nearinfrared laser operation of Cr+:Ca₂GeO₄, Optics Letters, v. 21, N 21, p.1750-1752, 1996]. Материал выполнен в виде монокристалла. Время жизни возбужденного состояния ионов Cr⁴⁺ в этом материале составляет 15 мксек.

Недостатком этого материала является необходимость использовать накачку в виде хорошо сколимированного лазерного излучения большой мощности (5-10 Вт) и сложность использования его для целей интегральной оптики.

Известен материал для перестраиваемых лазеров на основе германата, активированного ионами Cr⁴⁺ [Патент США 4987575, МПК H 01 S 3/16]. Материал выполнен в виде монокристалла и характеризуется формулой (A)(R)GeO₄, где A = Na или Li, R = Y, Lu или Gd.

Недостатком этого материала является необходимость использовать накачку в виде хорошо сколимированного лазерного излучения большой мощности (5-10 Вт) и сложность использования его для целей интегральной оптики.

Наиболее близким к заявляемому является известный пленочный материал для перестраиваемых лазеров, активированный ионами Cr⁴⁺ и нанесенный на подложку [Barber D.B., Pollock C.R. Beecroft L.L., Ober C.K., Amplification by optical composites, Optics Letters, 1997, v.22, N 16, p.1247-1249]. Материал выполнен в виде полимерной пленки, в которую внедрены монокристаллические наночастицы форстерита, активированного ионами Cr⁴⁺.

Недостатком этого пленочного материала является низкая термостойкость, обусловленная наличием полимерной матрицы, а также малый относительный объем активного вещества, поскольку большую часть объема пленки занимает полимер, что не позволяет обеспечить достаточно высокую мощность лазерного излучения.

Известен способ получения материала для перестраиваемых лазеров на основе форстерита, активированного ионами Cr⁴⁺ [Yamaguchi Y., Yamagishi К., Nobe Y. The behavior of chromium ions in forsterite. J Cryst. Growth, 1993, v.128, p.996-1000]. Материал в виде монокристалла форстерита Mg₂SiO₄ выращивают по методу Чохральского.

Недостатком этого материала является малое время жизни возбужденного состояния ионов Cr⁴⁺. определяемое особенностями его кристаллической структуры, что не позволяет обеспечить достаточно высокую мощность лазерного излучения.

Известен способ получения материала для перестраиваемых лазеров на основе германата, активированного ионами Cr⁴⁺ [Petricevic V., Bykov А.В. Evans J. M. , Alfano R.R. Room temperature near infrared laser operation of Cr+: Ca₂GeO₄, Optics Letters, 1996, v.21, N 21, p.1750-1752]. Материал для перестраиваемых лазеров в виде монокристалла выращивают из раствора-расплава.

Недостатком этого материала является необходимость использовать накачку в виде хорошо сколимированного лазерного излучения большой мощности (5-10 Вт) и сложность использования его для целей интегральной оптики.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения материала для перестраиваемых лазеров, активированного ионами Cr⁴⁺, включающий нанесение пленки материала на подложку [Barber D.B., Pollock C.R. Beecroft L. L., Ober C.K., Amplification by optical composites, Optics Letters, 1997, v. 22, N 16, p.1247-1249]. Пленка представляет собой полимерный слой, в который внедрены монокристаллические наночастицы форстерита, активированного ионами Cr⁴⁺.

Недостатком этого прототипа является низкая термостойкость, обусловленная наличием полимерной матрицы, а также малый относительный объем активного вещества, поскольку большую часть объема пленки занимает полимер.

Известен перестраиваемый лазер, содержащий установленный между глухим и выходным зеркалами оптически активный элемент, а также селективный элемент и устройство накачки [Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990, с.252]. Селективный элемент выполнен в виде дисперсионной призмы.

Недостатком этого лазера является невозможность создания перестраиваемого лазера в интегральном исполнении вследствие необходимости механической перестройки селективного элемента.

Наиболее близким к заявляемому является известный перестраиваемый лазер, содержащий установленный между глухим и выходным зеркалами оптически активный элемент, а также селективный элемент и устройство накачки [Звелто О. Принципы лазеров. М. : Мир, 1990, с. 252-254]. Селективный элемент выполнен в виде двулучепреломляющего фильтра.

Недостатком этого прототипа является невозможность создания перестраиваемого лазера в интегральном исполнении вследствие необходимости механической перестройки селективного элемента.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача создания термостабильного перестраиваемого лазера повышенной мощности в интегральном исполнении.

Поставленная цель достигается тем, что известный пленочный материал для перестраиваемых лазеров, активированный ионами Cr⁴⁺ и нанесенный на подложку, выполнен на основе германата Ca₂GeO₄ и нанесен на подложку из плавленого кварца.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном способе получения лазерного материала, активированного ионами Cr⁴⁺, включающего нанесение пленки материала на подложку, пленку наносят на подложку методом магнетронного распыления, при этом распыляют мишень, содержащую оксиды CaO, GeO₂ и Cr₂O₃, в которой на каждый моль оксида германия приходится от 1,8 до 2,4 моля оксида кальция и от 0,001 до 0,1 моля оксида хрома, мишень распыляют на подложку, нагретую до температуры от 400 до 600^oC, в атмосфере газовой смеси аргона и кислорода при давлении от 1·10 до 5 ·10 Па, а после нанесения пленку отжигают на воздухе при температуре от 500 до 900^oC.

В частности, в газовой смеси на каждый атом кислорода приходится от 3 до 10 атомов аргона.

В частности, распыление проводят при мощности высокочастотного разряда от 3 до 5,0 Вт/см².

В частности пленку наносят со скоростью от 0,5 до 1,5 мкм/час.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном перестраиваемом лазере, содержащем установленный между глухим и выходным зеркалами оптически активный элемент, а также селективный элемент и устройство накачки, оптически активный элемент выполнен в виде пленки на основе германата Ca₂GeO₄ на подложку из плавленого кварца и активированной ионами Cr⁴⁺, причем в пленке выполнен оптический волновод, а селективный элемент выполнен из магнитооптического материала и перестраивается магнитным полем.

В частности, управляющее магнитное поле создается катушкой электромагнита, в который помещен селективный элемент.

В частности, выходное зеркало нанесено на поверхность линзы из магнитооптического материала.

В частности, торец оптического волновода, обращенный к линзе из магнитооптического материала, просветлен, а на противоположный торец оптического волновода нанесено глухое зеркало, выполненное в виде дихроичного диэлектрического покрытия.

В частности, устройство накачки выполнено в виде полупроводникового лазерного диода, установленного у торца оптического волновода.

Заявляемые изобретения, представляющие собой лазерный материал, способ его получения и перестраиваемый лазер, связаны единым изобретательским замыслом.

Изобретения поясняются чертежами, где на фиг. 1 приведена блок-схема перестраиваемого лазера, в котором используется заявляемый материал, на фиг. 2 - блок схема установки для реализации заявляемого способа, а на фиг. 3 - спектр люминесценции полученного материала, свидетельствующий о вхождении хрома в материал в форме ионов Cr⁴⁺.

Лазер (фиг. 1) состоит из оптического канального волновода 1, сформированного на подложке 2. Волновод 1 выполнен из заявляемого материала, и нанесен на подложку 2 магнетронным напылением через щелевую маску. Излучение накачки вводится от полупроводникового лазерного диода 3 непосредственно в активный волновод 1 через его торец 4. На торец 4 волновода 1 нанесено дихроичное диэлектрическое покрытие, прозрачное на длине волны накачки и имеющее большой коэффициент отражения на длине волны генерации. Противоположный торец 5 волновода просветлен, а в качестве выходного зеркала используется линза 6 из магнитооптического материала с внешней поверхностью 7. Кривизна внешней поверхности 7 линзы 6 и коэффициент отражения нанесенного на нее отражающего покрытия подобраны таким образом, чтобы обеспечить необходимую добротность лазерного резонатора. Катушка электромагнита 8 (показана в разрезе) создает осевое магнитное поле, вызывающее поворот плоскости поляризации при распространении генерируемого излучения в материале линзы (управляющее магнитное устройство не показано).

Для перестройки лазера (фиг. 1) используется зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны ϕ(λ). Генерация будет происходить на длине волны λ_т, удовлетворяющей условию ϕ(λ_т) = 90°. Меняя в небольших пределах с помощью управляющего магнитного устройства ток в катушке 8 около его среднего значения, можно осуществить перестройку длины волны генерации лазера во всем возможном диапазоне.

Для реализации заявляемого способа используется установка магнетронного распыления (фиг. 2). Она содержит магнетронное устройство 9, мишень 10, подложку 2, печь-подложкодержатель 11, заслонку 12, систему напуска 13, систему откачки 14 и анод-экран 15.

Мишень 10 составляют из оксидов CaO, GeO₂ и Cr₂O₃. На печь-подложкодержатель 11 помещают кварцевую подложку 2, на поверхности которой располагается щелевая маска (на фиг. 2 не показана). Закрывают заслонку 12 и с помощью системы откачки 14 создают в установке вакуум. Затем в ней с помощью системы напуска 13 создают в установке разреженную газовую смесь аргона и воздуха. Нагревают подложку 2 с помощью печи-подложкодержателя 11. На магнетронное устройство 9 подают высокочастотное напряжение, вследствие чего мишень начинает распыляться и после открытия заслонки 12 распыляемые компоненты осаждаются на подложке 2. После достижения заданной толщины осаждаемой пленки заслонку 12 закрывают, высокочастотное напряжение выключают и напускают в установку воздух. Далее полученную пленку, представляющую собой оптический волновод 1, извлекают из установки и отжигают на воздухе в муфельной печи. Торцы 4 и 5 оптического волновода 1 полируют, после чего на первый из них наносят дихроичное покрытие, а второй просветляют.

В мишени 10 мольное соотношение окислов GeO₂:CaO:Сr₂O₃ составляло 1:2: 0,05. В газовой смеси при давлении 3·10^-4 Па на каждый атом кислорода приходилось 5 атомов аргона. Подложку 2 из плавленого кварца с помощью печи-подложкодержателя 11 нагревали до 520^oC. Распыление мишени 10 проводили при мощности высокочастотного разряда 2 Вт/см², при этом пленка наносилась со скоростью 1 мкм/час. Полученную пленку отжигали на воздухе при температуре 600^oC в течение 6 час. При этом все ионы хрома переходили в четырехвалентное состояние, о чем свидетельствует спектр люминесценции (фиг. 3).

В перестраиваемом лазере (фиг. 1) используется полупроводниковый лазерный диод 3 с длиной волны излучения 0,82 мкм. Оптический волновод 1 имеет размеры 5000х10х5 мкм. Линза 7 выполнена из железо-иттриевого граната толщиной 4,4 мм, причем радиус кривизны ее поверхности 6 составляет 9 мм.

Формула изобретения

1. Пленочный лазерный материал для перестраиваемых лазеров, активированный ионами Cr⁴⁺ и нанесенный на подложку, отличающийся тем, что он выполнен на основе германата Ca₂GeO₄ и нанесен на подложку из плавленого кварца.

2. Способ получения лазерного материала, активированного ионами Cr⁴⁺, включающий нанесение пленки материала на подложку, отличающийся тем, что пленку наносят на подложку методом магнетронного распыления, при этом распыляют мишень, содержащую оксиды CaO, GeO₂ и Cr₂O₃, в которой на каждый моль оксида германия приходится от 1,8 до 2,4 моля оксида кальция и от 0,001 до 0,1 моля оксида хрома, мишень распыляют на подложку, нагретую до температуры от 400 до 600^oC, в атмосфере газовой смеси аргона и кислорода при давлении от 1 · 10^-4 до 5 · 10^-4 Па, а после нанесения пленку отжигают на воздухе при температуре от 500 до 900^oC.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в газовой смеси на каждый атом кислорода приходится от 3 до 10 атомов аргона.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что распыление проводят при мощности высокочастотного разряда от 3,0 до 5,0 Вт/см².

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что пленку наносят со скоростью от 0,5 до 1,5 мкм/ч.

6. Перестраиваемый лазер, содержащий установленный между глухим и выходным зеркалами оптически активный элемент, а также селективный элемент и устройство накачки, отличающийся тем, что оптически активный элемент выполнен в виде пленки на основе германата Ca₂GeO₄, нанесенной на подложку из плавленого кварца и активированной ионами Cr⁴⁺, причем в пленке выполнен оптический волновод, а селективный элемент выполнен из магнитооптического материала и перестраивается магнитным полем.

7. Лазер по п.6, отличающийся тем, что выходное зеркало нанесено на поверхность линзы из магнитооптического материала.

8. Лазер по п.6, отличающийся тем, что торец оптического волновода, обращенный к линзе из магнитооптического материала, просветлен, а на противоположный торец оптического волновода нанесено глухое зеркало, выполненное в виде дихроичного диэлектрического покрытия.

9. Лазер по п.6, отличающийся тем, что устройство накачки выполнено в виде полупроводникового лазерного диода, установленного у торца оптического волновода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3