Активный материал для жидкостного лазера

Изобретение относится к области создания жидкофазных активных материалов, пригодных для использования в оптических квантовых генераторах и оптических квантовых усилителях с импульсной и непрерывной генерацией. Предлагается активный материал для жидкостного лазера, включающий ион неодима, тетрахлорид олова, оксихлорид фосфора, трифлат-ион при следующих соотношениях компонентов (мас.%): ион неодима - 1,5÷7,0, тетрахлорид олова - 2,7÷12,5, трифлат-ион - 2,3÷16,0, оксихлорид фосфора - остальное, при этом относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:1,5-2,2. Технический результат - предотвращение процессов полимеризации при высокой концентрации РЗЭ в растворе. 1 ил.

 

Изобретение относится к области создания жидкофазных активных материалов, пригодных для использования в оптических квантовых генераторах (ОКГ) и в оптических квантовых усилителях (ОКУ) с импульсной и непрерывной генерацией.

В качестве жидкофазных активных материалов для ОКГ и ОКУ могут быть использованы органические красители и растворы хелатов редкоземельных элементов (РЗЭ). Однако эти материалы малоэффективны и имеют ограничения в связи с тем, что недостаточно устойчивы и не выдерживают больших мощностей энергии.

Наиболее эффективными материалами являются растворы РЗЭ на основе смешанных апротонных неорганических растворителей. Субстанции, образованные такими матричными растворителями с введенными в них редкоземельными элементами, обладают высокими спектрально-люминесцентными и генерационными характеристиками и пригодны для использования их в качестве активных лазерных материалов, в том числе в жидкостных лазерах с большой мощностью излучения.

Известны активные материалы для лазеров с оптической [RU №1568847], а также с ядерной накачкой [RU №2075143; Дьяченко И.И. и др. Препринт №2193, ФЭИ - Обнинск, 1991], которые содержат молекулярные смеси оксихлорида фосфора и безводных хлоридов переходных металлов в качестве матричных растворителей.

Количественный состав наиболее широко заявлен в активном материале, активированном редкоземельными элементами, для оптических квантовых генераторов и оптических квантовых усилителей [а.с. СССР №330505, Н01S 3/14, бюл. №8, 1972], содержащем, вес.%:

оксихлорид фосфора	15-98
галогенид металла	1-60
редкоземельный элемент	0,1-25

Активные материалы вышеуказанных аналогов обладают высокими спектрально-люминесцентными характеристиками, однако общим их недостатком является то, что область жидкой фазы в них существует лишь при концентрации редкоземельного элемента в пределах 0,1-2,5 мас.%. При более высоких концентрациях система переходит в смолообразное, стеклообразное или кристаллическое состояние.

По требованиям технологичности оптимальной системой является смесь оксихлорида фосфора и тетрахлорида олова, активированная ионом неодима [Асланов Л.А., Гиляров О.Н., Куликовский Б.Н. и др. Ж. Коорд.химия, 1982, т.8, №6, с.723-736] (прототип). Выбор неодима в качестве люминесцирующего иона в системе Nd³⁺ - OPCI₃ - SnCI₄ обусловлен промышленной применимостью лазеров с генерацией на длине волны 1,06 Мк. Молекулярная смесь оксихлорида фосфора и тетрахлорида олова как матричный растворитель обеспечивает иону неодима оптимальные спектрально-люминесцентные свойства.

Исследование материала по прототипу выявило следующие недостатки:

- в растворах с концентрацией РЗЭ выше 1,5 мас.% наблюдается заметное увеличение вязкости вследствие начала процессов полимеризации образующихся соединений неодима;

- растворы с концентрацией РЗЭ выше 2,5 мас.% теряют текучесть, загустевают, вязкость их повышается до величины 2,5 сСт и использование таких материалов в циркуляционных лазерах с импульсной и непрерывной генерацией затруднительно;

- в системах с концентрацией редкоземельного иона, превышающей 3 мас.%, обнаруживается нарастание концентрационного тушения люминесценции, связанное с изменением характера полимеризации и образованием многоцентровых полимеров. [Асланов Л.А., Гиляров О.Н. и др. Ж. Коорд. химия, 1987, т.13, №6, с.758-760].

Перечисленные недостатки прототипа предопределены химической природой исходных компонентов: при изготовлении активного материала ион неодима обычно вводится в матричный растворитель в виде гидроксосоединений, поскольку его безводные соединения не растворяются. Под действием OH^--групп, как и молекул Н₂О, присутствующих в таких соединениях, исходный матричный растворитель легко гидролизуется, что создает условия, при которых ион неодима, в зависимости от его концентрации, может формировать в системе как моноядерные комплексы, так и вовлекаться в сложные по составу и строению многоцентровые полимеры. Установлено, что вязкость в этих системах повышается с увеличением концентрации Nd³⁺ вследствие металлокомплексной полимеризации. Так, в тех случаях, когда концентрация Nd³⁺ составляет 0,1-1,5 мас.%, в системе формируются моноядерные комплексы и вязкость таких растворов близка к вязкости воды. При введении в систему 1,5 и более процента Nd³⁺ происходит агрегирование моноядерных комплексов до смоло- и стеклообразного состояния, вязкость раствора увеличивается и при концентрации Nd³⁺ 2,5 мас.% превышает значения 2,5 сСт.

Растворы с вязкостью свыше 2,5 сСт на практике не могут быть использованы в циркуляционных лазерах, поскольку при их прокачке не обеспечивается оптическая однородность активного элемента. Еще одним существенным недостатком таких растворов является то, что ионы неодима, вовлеченные в многоцентровые структуры, имеют между собой укороченные связи, и это вызывает концентрационное тушение люминесценции материала.

Технической задачей является предотвращение процессов полимеризации при высокой концентрации РЗЭ в растворе.

Изобретение направлено на получение активного материала для жидкостного лазера, в том числе циркуляционного, с импульсной и непрерывной генерацией со следующими характеристиками при концентрациях иона неодима от 1,5 до 7 мас.%: вязкость не более 2,5 сСт; коэффициент неактивного поглощения на длине волны 1,06 мк в пределах 3-5·10^-4 см^-1; время жизни возбужденного состояния Nd³⁺ - 180-200 мск, как косвенное свидетельство отсутствия концентрационного тушения люминесценции активного материала.

Технический результат достигается тем, что предлагается активный материал для жидкостного лазера, включающий ион неодима, тетрахлорид олова, оксихлорид фосфора, согласно изобретению материал дополнительно содержит трифлат-ион при следующих соотношениях компонентов (мас.%):

ион неодима	1,5÷7,0
тетрахлорид олова	2,7÷12,0
трифлат-ион	2,3÷16,0
оксихлорид фосфора	остальное

при этом относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:1,5÷2,2.

Концентрация иона неодима выбирается из соображений, что при значениях менее 1,5 мас.% в растворе присутствуют только моноядерные комплексы, а при значениях выше 7,0 мас.% технический результат не достигается вследствие дефицита матричного растворителя.

Под трифлат-ионом (CF₃SO₃ ^-) понимается остаток хлорангидрида трифторметансульфоновой кислоты, образующийся в процессе приготовления субстанции.

Присутствие трифлат-иона позволяет повысить концентрацию люминесцирующего центра в жидкой фазе лазерного материала более чем в три раза при сохранении низкой вязкости, что свидетельствует в пользу формирования островных моноядерных комплексов. Трифлат-ион при этом способствует формированию вокруг люминесцирующего иона неодима благоприятного кислородного окружения и обеспечивает низкий коэффициент неактивных потерь и отсутствие концентрационного тушения люминесценции.

На чертеже представлена зависимость вязкости активного материала от содержания иона неодима в растворе. Кривая "прототип" отвечает системе Nd³⁺ - OPCI₃ - SnCI₄ без трифлат-иона. Кривая 1 отвечает соотношению неодим-ион: трифлат-ион, равному 1:2,2. Кривая 2 - соотношению неодим-ион: трифлат-ион, равному 1:1,5. Кривая 3 - соотношению неодим-ион: трифлат-ион, равному 1:2,0.

Относительное содержание иона неодима и трифлат-иона как 1: 1,5÷2,2 обосновано тем, что эти соотношения близки к стехиометрии для образовании мономерного комплекса неодима состава: [(Cl₃PO)₄Nd(CF₃SO₃)₂]SnCl₅.

Технология с участием хлорангидрида трифторметансульфоновой кислоты проста, поскольку исключает такие операции, как термообработка реакционной смеси и фильтрация конечного раствора.

Активный материал для жидкостного лазера получают следующим образом. Реакционная смесь, состоящая из хлорокиси фосфора, тетрахлорида олова, гидроокиси неодима и хлорангидрида трифторметансульфоновой кислоты, загружается в реактор, снабженный затвором из фосфорного ангидрида. Взаимодействие реакционной смеси происходит плавно при незначительном разогреве и заканчивается полной ее гомогенизацией. Образовавшийся прозрачный раствор, окрашенный в сиреневый цвет, годен для использования.

Ниже приведены примеры достижения технического результата при различных относительных содержаниях иона неодима и трифлат-иона в активном материале.

Пример 1. Относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:2,2 при мас.% компонентов:

ион неодима	1,5÷7,0
тетрахлорид олова	2,7÷12,5
трифлат-ион	3,3÷16,0
оксихлорид фосфора	остальное

Значения вязкости представлены на чертеже, кривая 1. При концентрации Nd³⁺, равной 7,0 мас.%, вязкость достигает максимально приемлемого значения 2,5 сСт.

Пример 2. Относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:1,5 при мас.% компонентов:

ион неодима	1,5÷7,0
тетрахлорид олова	2,7÷12,5
трифлат-ион	2,3÷10,5
оксихлорид фосфора	остальное

Значения вязкости представлены на чертеже, кривая 2. При концентрации Nd³⁺, равной 7,0 мас.%, вязкость достигает максимально приемлемого значения 2,5 сСт.

Пример 3 (наилучший результат). Относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:2,0 при мас.% компонентов:

ион неодима	1,5÷7,0
тетрахлорид олова	2,7÷12,5
трифлат-ион	3,0÷14,0
оксихлорид фосфора	остальное

Значения вязкости представлены на чертеже, кривая 3. При концентрации Nd³⁺, равной 7,0 мас.%, вязкость составляет 1,4 сСт, однако дальнейшее увеличение концентрации неодима не достигается вследствие дефицита матричного растворителя, т.е. насыщения раствора.

Заявленный активный материал для жидкостного лазера обладает следующими спектрально-люминесцентными характеристиками:

- вязкость не более 2,5 сСт;

- коэффициент неактивного поглощения на длине волны 1,06 мк - в пределах 3-5·10^-4 см^-1;

- время жизни возбужденного состояния Nd³⁺ - 180-200 мск.

Активный материал для жидкостного лазера, включающий ион неодима, тетрахлорид олова, оксихлорид фосфора, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит трифлат-ион при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Ион неодима 1,5÷7,0

Тетрахлорид олова 2,7÷12,5

Трифлат-ион 2,3÷16,0

Оксихлорид фосфора Остальное

при этом относительное содержание иона неодима и трифлат-иона составляет 1:1,5÷2,2.