Оптическая среда для преобразования монохроматического излучения лазера и способ ее получения

Оптическая среда для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 975±5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм, представляет собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0,1<х<0,3. Способ получения указанной оптической среды включает приготовление двух исходных смесей компонентов, содержащих соответственно мас.%: карбонат кальция - 11,11; оксид эрбия - 42,45; оксид германия - 46,43 и карбонат кальция - 13,45; оксид иттрия - 30,34; оксид германия - 56,21. Производится раздельное перемешивание компонентов каждой смеси в присутствии спирта, нагрев до 700-900°С с выдержкой при этой температуре в течение 8-10 часов. Повторный нагрев осуществляется до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 100-150 часов и перешихтовкой через каждые 20 часов. Затем производится перемешивание обеих исходных смесей в соотношении 1:4,6÷15,3 в присутствии спирта и нагрев до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 40-50 часов и перешихтовкой через каждые 10 часов. Технический результат заключается в осуществлении возможности преобразования монохроматического излучения в полосу с одновременным его усилением при работе лазера в режиме непрерывной накачки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к новому соединению класса оптических материалов - ахроматоров на основе неорганических кристаллических соединений, конкретно к сложным кальциевым тетрагерманатам эрбия и иттрия состава ЕrхY2-xCaGe4O12, где 0.1<х0.3, которые могут быть использованы в фотонике в качестве оптической среды для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 975+/-5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм (Δν=3500-4200 см-1) с одновременным усилением преобразованного излучения.

Традиционные методы преобразования лазерного излучения основываются на использовании эффекта сдвига положения линии при комбинационном рассеянии (КР). Величина сдвига определяется как собственными частотами молекулярных колебаний, так и фононной составляющей среды, в которой происходит процесс КР. Для большинства кристаллов-ахроматоров характерные частоты сдвига первой стоксовой компоненты находятся в диапазоне сдвигов Δν=632-1086.4 см-1. Получение больших величин сдвигов возможно на основе генерации второй, третьей и четвертой компонент стоксова сдвига с одновременным размытием энергии по компонентам.

Известна твердотельная система рамановского лазера, используемая для преобразования частоты входящего лазерного луча, частота которого может быть изменена при прохождении лазерного луча через твердотельный материал, расположенный в оптическом резонаторе и нелинейный элемент (патент США 5721748, МПК H01S 3/30, 1998 г.). В качестве твердотельного материала предлагается использовать кристаллический вольфрамат кальция CaWO4, а нелинейного элемента - борат лантана LаВО3.

Однако в известном техническом решении преобразование излучения достигается в лазере, работающем в режиме импульсной накачки и оптического резонатора.

Известен лазерный материал для вынужденного комбинационного рассеяния света, используемый для преобразования частоты лазерного излучения (патент РФ 2178938, МПК H01S 3/30, 2002 г.). Известный материал на основе монокристалла вольфрамата бария-стронция имеет состав (Ba1-x Srx)yWzO4, где 0≈x≈1; 0,997<у<1,003; 0,999<z<1,001. Известный материал обеспечивает увеличение коэффициента усиления вынужденного комбинационного рассеяния и снижение порога преобразования вынужденного комбинационного рассеяния.

Однако известный материал может быть использован только в лазерах, работающих в режиме импульсной накачки и оптических резонаторов.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать состав оптической среды, позволяющей преобразовать монохроматическое излучение лазера в полосу с одновременным его усилением при работе лазера в режиме непрерывной накачки, например диодного.

Поставленная задача решена путем применения новой оптической среды для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 975±5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм, представляющей собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0.1<х<0.3.

Поставленная задача решена также в способе получения оптической среды, представляющей собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0.1<х<0.3; включающем приготовление двух исходных смесей компонентов, содержащих соответственно мас.%: карбонат кальция - 11,11; оксид эрбия - 42,45; оксид германия - 46,43 и карбонат кальция - 13,45; оксид иттрия - 30,34; оксид германия - 56,21; тщательное раздельное перемешивание компонентов каждой смеси в присутствии спирта, нагрев до 700-900°С с выдержкой при этой температуре в течение 8-10 часов, повторный нагрев до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 100-150 часов и перешихтовкой через каждые 20 часов, последующее тщательное перемешивание обеих исходных смесей в соотношении 1:4,6-15,3 в присутствии спирта и нагрев до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 40-50 часов и перешихтовкой через каждые 10 часов.

Традиционные методы преобразования лазерного излучения основываются на использовании эффекта сдвига положения линии при комбинационном рассеянии (КР). Величина сдвига определяется как собственными частотами молекулярных колебаний, так и фононной составляющей среды, в которой происходит процесс КР. Для большинства кристаллов-ахроматоров характерные частоты сдвига первой стоксовой компоненты находятся в диапазоне сдвигов Δν=632-1086.4 см-1. Получение больших величин сдвигов возможно на основе генерации второй, третьей и четвертой компонент стоксова сдвига с одновременным размытием энергии по компонентам. Исследования, проведенные авторами, позволили сделать вывод о том, что твердые растворы ErxY2-xCaGe4O12, где 0.1≤x≤0.3; обладают свойством, которое позволяет использовать их в качестве оптической среды для преобразования монохроматического излучения диодного лазера с длиной волны 975+/-5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм (Δν=3500-4200 см-1) с одновременным усилением преобразованного излучения. Как показали исследования, проявление люминесценции предлагаемых соединений в области сдвигов Δν=3500-4200 см-1 при лазерной накачке с длиной волны 976 нм в стационарном режиме связано с тем, что при энергии возбуждения 10246 см-1 (976 нм) энергия рассеянных квантов лежит в диапазоне от 6046 до 6746 см-1 (1483-1654 нм) и соответствует разнице энергий между основным и первым возбужденным (6615-6872 см-1) состояниями иона Еr3+. Вследствие близости этих величин появляется возможность возникновения резонансной люминесценции, приводящая к эффекту усиления в диапазоне длин волн 1483-1654 нм. Схема возбуждений и межуровневых переходов представлена на фиг.1. Необходимо отметить, что только твердые растворы в области с 0.1≤x≤<0.3 имеют наивысшую интенсивность свечения. В области составов с x менее 0,1 происходит «разгорание», а с x более 0,3 - концентрационное тушение люминесценции (фиг.2).

Впервые явление резонанса, возрастание интенсивности КР вблизи области поглощения, было открыто П.П.Шорыгиным с сотрудниками в органических соединениях в начале 50-х годов прошлого столетия (П.П.Шорыгин, Т.М.Иванова / «Явление резонансного комбинационного рассеяния света» // Заявка №ОТ-8225 с приоритетом от 18 июня 1952 г., диплом №151). Однако речь шла о спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния слабо взаимодействующих молекул органических соединений, относящихся к молекулярным системам с нормальной и инверсионной заселенностью электронных состояний, из чего не следовало наличия явления резонанса в твердых растворах на основе сложных оксидов редкоземельных элементов, которое было обнаружено авторами предлагаемого технического решения в ходе экспериментальных исследований нового соединения - сложного кальциевого тетрагерманата эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0.1≤x≤0.3.

Сложный кальциевый тетрагерманата эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0.1≤x≤0.3; может быть получен следующим образом. Готовят две исходные смеси компонентов, содержащие соответственно мас.%: карбонат кальция - 11,11; оксид эрбия - 42,45; оксид германия - 46,43 и карбонат кальция - 13,45; оксид иттрия - 30,34; оксид германия - 56,21; тщательно раздельно перемешивают компоненты каждой смеси в присутствии спирта, нагревают до температуры 700-900°С с выдержкой при этой температуре в течение 8-10 часов, затем брикетируют и повторно нагревают до температуры 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 100-150 часов и перешихтовкой через каждые 20 часов, после охлаждения промежуточных продуктов производят последующее тщательное перемешивание обеих исходных смесей в соотношении 1:4,6-15,3 в присутствии спирта и нагревают до температуры 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 40-50 часов и перешихтовкой через каждые 10 часов. Готовый продукт подвергают рентгенофазовому и структурному анализам. Определяют интенсивность комбинационного рассеяния при его работе в качестве оптической среды в диодном лазере, работающем в режиме непрерывной накачки.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят две смеси исходных компонентов, взятых соответственно в следующем соотношении: 1,001 г карбоната кальция СаСО3 (11,11 мас.%); 3,825 г оксида эрбия Еr2О3 (42,45 мас.%) и 4,184 г оксида германия GeO2 (46,43 мас.%) и 1,001 г карбоната кальция СаСO3 (13,45 мас.%); 2,258 г оксида иттрия Y2O3 (30,34 мас.%) и 4,184 г оксида германия GeO2 (56,21 мас.%). Смеси раздельно тщательно перемешивают в присутствии спирта, нагревают до температуры 700°С с выдержкой при этой температуре в течение 10 часов, затем брикетируют и повторно нагревают до температуры 1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 100 часов и перешихтовкой через каждые 20 часов, после охлаждения промежуточных продуктов производят последующее тщательное перемешивание обеих исходных смесей в соотношении 1:15,3 в присутствии спирта и нагревают до температуры 1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 50 часов и перешихтовкой через каждые 10 часов. По данным рентгенофазового и структурного анализов продукт является сложным кальциевым германатом эрбия и иттрия состава Er0,1Y1,9CaGe4O12. Параметры решетки a=9,9851(5)Ǻ; с=5,0639(3)Ǻ. Интенсивность комбинационного рассеяния при его работе в качестве оптической среды в диодном лазере, работающем в режиме непрерывной накачки, приведена на фиг.3 (x=0,1).

Пример 2. Готовят две смеси исходных компонентов, взятых соответственно в следующем соотношении: 1,001 г карбоната кальция СаСО3 (11,11 мас.%); 3,825 г оксида эрбия Еr2О3 (42,45 мас.%) и 4,184 г оксида германия GeCO2 (46,43 мас.%) и 1,001 г карбоната кальция СаСO3 (13,45 мас.%); 2,258 г оксида иттрия Y2O3 (30,34 мас.%) и 4,184 г оксида германия GeO2 (56,21 мас.%). Смеси раздельно тщательно перемешивают в присутствии спирта, нагревают до температуры 900°С с выдержкой при этой температуре в течение 8 часов, затем брикетируют и повторно нагревают до температуры 1050°С с выдержкой при этой температуре в течение 150 часов и перешихтовкой через каждые 20 часов, после охлаждения промежуточных продуктов производят последующее тщательное перемешивание обеих исходных смесей в соотношении 1:4,6 в присутствии спирта и нагревают до температуры 1050°С с выдержкой при этой температуре в течение 40 часов и перешихтовкой через каждые 10 часов. По данным рентгенофазового и структурного анализов продукт является сложным кальциевым германатом эрбия и иттрия состава Er0,3Y1,7CaGe4O12. Параметры решетки а=9,9887(5)Ǻ; с=5,0660(3)Ǻ. Интенсивность комбинационного рассеяния при его работе в качестве оптической среды в диодном лазере марки, работающем в режиме непрерывной накачки, приведена на фиг.3(x=0,3).

Таким образом, в соответствии с техническим решением авторы предлагают новое соединение на основе твердого раствора состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0,1<x<0,3, в качестве ахроматоров для преобразования монохроматического излучения диодного лазера с длиной волны 975+/-5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм (Δν=3500-4200 см-1) с одновременным усилением преобразованного излучения. Такие материалы могут найти применение в фотонике в качестве оптических сред.

1. Оптическая среда для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 975±5 нм в полосу от 1483 до 1654 нм, представляющая собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0,1<х<0,3.

2. Способ получения оптической среды, представляющей собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава ErxY2-xCaGe4O12, где 0,1<х<0,3, включающий приготовление двух исходных смесей компонентов, содержащих соответственно мас.%: карбонат кальция 11,11; оксид эрбия 42,45; оксид германия 46,43 и карбонат кальция 13,45; оксид иттрия 30,34; оксид германия 56,21; тщательное раздельное перемешивание компонентов каждой смеси в присутствии спирта, нагрев до 700-900°С с выдержкой при этой температуре в течение 8-10 ч, повторный нагрев до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 100-150 ч и перешихтовкой через каждые 20 ч, последующее тщательное перемешивание обеих исходных смесей в соотношении
1:4,6÷15,3 в присутствии спирта и нагрев до 1050-1100°С с выдержкой при этой температуре в течение 40-50 ч и перешихтовкой через каждые 10 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нелинейным преобразователям частоты лазерного излучения и касается вопросов преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам. .
Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности к материалам для изготовления пассивных затворов лазеров с модулированной добротностью или систем развязки многокаскадных генераторов.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовыми дискриминаторами на основе газовых ячеек или атомно-лучевых трубок.

Изобретение относится к лазерной оптике и может быть использовано как оптический элемент лазерного резонатора (градиентное зеркало или «мягкая» диафрагма) при работе с твердотельными и газовыми лазерами для формирования заданного закона распределения оптического излучения, а также в астрономии и спектроскопии для коррекции формы оптической передаточной функции.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с удвоением частоты, генерирующим в видимой области спектра, которые могут найти применение как источники излучения для таких технологий, как сверхплотная оптическая память (а также запись), цветная лазерная печать, цветные лазерные дисплеи, биомедицинская диагностика, аналитические измерения, судебно-медицинская экспертиза и другие.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам с генерацией высших гармоник излучения, работающим в наносекундном диапазоне.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в оптической связи, лазерной локации, для создания стабильного малогабаритного лазера. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерным системам, работающим в субнаносекундном и наносекундном диапазоне длительностей импульсов с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники в видимом и УФ-спектральных диапазонах.

Изобретение относится к выращиванию высокотемпературных неорганических монокристаллов и может быть использовано в квантовой электронике и физике элементарных частиц, в частности, для создания детекторов процесса двойного безнейтринного бета-распада.

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов.

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения.

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца (далее PWO), и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке лазеров инфракрасного диапазона. .

Изобретение относится к технике для регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, в частности к сцинтиляционным материалам. .

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано для создания управляемых функциональных устройств. .

Изобретение относится к области сцинтилляционных материалов, используемых для регистрации и спектрокопии ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к области выращивания из расплава нелегированных кристаллов вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO 4)2, являющегося перспективным материалом для Черепковских детекторов

Изобретение относится к новому соединению класса оптических материалов - ахроматоров на основе неорганических кристаллических соединений, конкретно к сложным кальциевым тетрагерманатам эрбия и иттрия состава ЕrхY2-xCaGe4 O12, где 0.1<х0.3, которые могут быть использованы в фотонике в качестве оптической среды для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 975+-5 нм в полосу от 1483 нм до 1654 нм с одновременным усилением преобразованного излучения

Наверх