Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой содержит иттербий, кислоту Льюиса и оксихлорид фосфора. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении соединения иттербия в оксихлориде фосфора. В частных случаях состава активной среды в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид циркония, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ или в качестве кислоты Льюиса использован тетрахлорид олова, а дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ или перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃ в оксихлориде фосфора. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения оптического КПД жидкостного лазера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области жидких лазерных материалов и может быть использовано в качестве активной среды при создании мультикиловаттных высокоэнергетичных прокачных жидкостных лазеров с диодной накачкой.

Известна активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой, которая содержит органический краситель [US 5530711, 1996. Low threshold diode-pumped tunable dye laser].

Основные недостатки такой активной среды: быстрое фотохимическое разрушение красителя, малое люминесцентное время жизни и малая концентрация активатора, что не позволяет создавать высокоэнергетичные жидкостные лазеры большой мощности.

Наиболее близкое по технической сущности решение представлено в патенте [US 3779939 А, 1973. Liquid laser solution formed with a neodymium salt in phosphorus oxychloride]. Активная среда состоит из оксихлорида фосфора POCl₃, тетрахлорида циркония ZrCl₄ и дихлорфосфата неодима Nd(PO₂Cl₂)₃, образованного при растворении три-фторацетата неодима Nd(CF₃CO₂)₃. Причем молярное соотношение ZrCl₄ / Nd(CF₃CO₂)₃ должно быть не меньше 1.

Недостатком указанного технического решения является относительно большая потеря энергии накачки активной среды жидкостного лазера, обусловленная спектрально-люминесцентными характеристиками неодима. Ион неодима Nd³⁺ имеет широкие и достаточно интенсивные полосы поглощения в видимой области. Поэтому неодимсодержащие активные среды использовали в высокоэнергетичных установках лазерного излучения большой мощности с накачкой оптическим излучением газоразрядных ламп. Диодная накачка с λ=808 нм осуществляется в полосу поглощения Nd³⁺ с наибольшим сечением поглощения. Генерация вынужденного излучения происходит на λ=1,06 мкм перехода с наибольшим сечением вынужденного излучения. На фиг. 1 представлены спектры поглощения (1) и люминесценции (2) Nd³⁺ в активной среде на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида циркония. Разница между частотами излучения накачки и генерации составляет около 3000 см^-1, или 24% от частоты излучения накачки. Поэтому значительная часть энергии возбуждения расходуется на нагрев среды, и КПД лазера уменьшается.

Задача изобретения состоит в устранении указанного недостатка, а именно, уменьшении потери энергии накачки активной среды жидкостного лазера.

Технический результат - повышение оптического КПД жидкостного лазера, представляющего собой отношение энергии накачки активной среды к энергии выходного излучения жидкостного лазера.

Для исключения указанного недостатка в активной среде жидкостного лазера с диодной накачкой на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса предлагается:

- в активной среде использовать иттербий;

- иттербий связать в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении определенного соединения иттербия в оксихлориде фосфора.

В частных случаях приготовления активной среды предлагается:

- во-первых, в качестве кислоты Льюиса использовать тетрахлорид циркония (ZrCl₄); оксихлорид фосфора (POCl₃), тетрахлорид циркония (ZrCl₄) и иттербий взять при определенном соотношении указанных компонентов; дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора;

- во-вторых, в качестве кислоты Льюиса использовать тетрахлорид олова (SnCl₄); оксихлорид фосфора (POCl₃), тетрахлорид олова (SnCl₄) и иттербий взять при определенном соотношении компонентов;

- в-третьих, при использовании тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора;

- в-четвертых, при использовании тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образовать при растворении перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃ в оксихлориде фосфора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой состоит из оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса и иттербия.

Ионы иттербия Yb³⁺ характеризуются всего одной неширокой полосой поглощения в ближней ИК-области спектра. Поэтому иттербий содержащие активные среды для ламповой накачки отсутствуют. На фиг. 2 представлены спектры поглощения (1) и люминесценции (2) Yb³⁺ в активной среде на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса.

Во-первых, полоса поглощения Yb³⁺ находится в области накачки активной среды InGaAs лазерными диодами на λ=0,94-0,98 мкм. Во-вторых, разница в частотах излучения накачки и генерации Yb³⁺ составляет, как правило, около 600 см^-1 (менее 10% от частоты излучения накачки), что в пять раз меньше, чем для Nd³⁺. Это позволяет уменьшить тепловые потери и увеличить КПД лазера и выходную мощность лазерного излучения в 2-3 раза. В третьих, в Yb³⁺ лазерный переход осуществляется из единственного возбужденного состояния ²F_5/2, который отстоит от основного ²F_7/2 приблизительно на 10300 см^-1 (λ=0,97 мкм). Большой энергетический зазор между основным и возбужденным энергетическими состояниями и отсутствие промежуточных уровней энергии Yb³⁺ практически исключают потери на поглощение из возбужденного состояния, ап-конверсию, кросс-релаксацию и другие концентрационные эффекты, типичные для Nd³⁺. В-четвертых, в 3 раза большее люминесцентное времени жизни возбужденного состояния Yb³⁺ - 1 мс (Nd³⁺ - 0,3 мкс) в растворах оксихлорида фосфора ведет к увеличению выходной мощности лазерного излучения.

Кислота Льюиса, формируя лигандное окружение Yb³⁺, обеспечивает перевод иттербия в раствор оксихлорида фосфора и люминесценцию Yb³⁺. При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлоридов циркония или олова достигается наибольшая концентрация Yb³⁺ в активной среде, а характеристики активной среды наиболее устойчивы, что важно для разработки мультикиловаттных высокоэнергетичных прокачных жидкостных лазеров с диодной накачкой.

В одном частном случае кислота Льюиса представляет собой тетрахлорид циркония при следующих соотношениях компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-3; тетрахлорид циркония, ZrCl₄ - 1-4; оксихлорид фосфора, POCl₃ - остальное. Причем дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора.

В другом частном случае кислота Льюиса представляет собой тетрахлорид олова при следующих соотношениях компонентов, масс. %: иттербий - 0,5-5; тетрахлорид олова, SnCl₄ - 1-12; оксихлорид фосфора, POCl₃ - остальное.

При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлорида олова дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ или перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃ в оксихлориде фосфора.

Растворение соединений иттербия в оксихлориде фосфора происходит с образованием дихлорфосфата иттербия. Чтобы избежать полимеризации активной среды и образования тушащих люминесценцию примесей, в качестве исходного используют такое соединение иттербия, прежде всего трифторацетат, которое при растворении образует не только с дихлорфосфат иттербия, но и газообразный удаляемый из раствора продукт:

Yb(CF₃COO)₃+3POCl₃→Yb(PO₂Cl₂)₃+3CF₃COOCl↑

В заявленной активной среде на основе оксихлорида фосфора вид и форма полос поглощения и люминесценции Yb³⁺ (фиг. 2) практически не зависят от используемых кислот Льюиса и исходных соединений иттербия, а люминесцентное время жизни Yb³⁺ превышает одну миллисекунду.

Диапазон возможных концентраций Yb³⁺ дается для выбора оптимальной концентрации в зависимости от конкретной конструкции лазерной кюветы с активной средой, режима прокачки активной среды и режима работы лазера. Верхняя граница диапазона определяется

- в случае использования тетрахлорида циркония растворимостью соединения иттербия, с учетом того, что, во-первых, при попадании влаги в активную среду осаждается оксихлорид циркония и, во-вторых, молярное соотношение ZrCl₄ / иттербий должно быть не меньше 1;

- в случае использования тетрахлорида олова преимущественно вязкостью активной среды, необходимой для работы в прокачном режиме; вязкость возрастает с увеличением концентрации иттербия и при попадании влаги в активную среду.

Примеры конкретного осуществления активной среды представлены ниже.

Пример 1. Активная среда на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида циркония, POCl₃-ZrCl₄-Yb³⁺, содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 2, тетрахлорид циркония - 3, оксихлорид фосфора - 95. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора.

Пример 2. Активная среда на основе оксихлорида фосфора и тетрахлорида олова, POCl₃-SnCl₄-Yb³⁺, которая содержит в своем составе, масс. %: иттербий - 3, тетрахлорид олова - 8, оксихлорид фосфора - 89. Иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃ в оксихлориде фосфора.

Заявленная активная среда была использована для приготовления десятка образцов для каждого примера.

Совокупность существенных признаков заявляемого объекта обеспечивает воспроизводимое приготовление заявленной активной среды со следующими стабильными характеристиками:

- люминесцентное время жизни τ возбужденного состояния Yb3+, мс	1
- квантовый выход люминесценции	>0,9
- сечение поглощения σа перехода 2F7/2→2F5/2 (976,5 нм), см2	1,46⋅10-20
- сечение вынужденного излучения σе
лазерного перехода 2F5/2→2F7/2 (977 нм), см2	1,51⋅10-20

В таблице представлены рассчитанные из экспериментальных данных энергетические характеристики жидкостного иттербиевого лазера с диодной накачкой в зависимости от параметров источника накачки и иттербий содержащей активной среды на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса с учетом равновесных населенностей штарковских подуровней Yb³⁺:

- активная среда: концентрация [Yb³⁺] = 1,5⋅10²⁰ см³; люминесцентное время жизни возбужденного состояния Yb³⁺ τ = 950 мкс; сечение поглощения σ_а=5,1⋅10^-21 см² на длине волны накачки λ_in = 934 нм;

- источник накачки: мощность P_in = 4 кВт; длительность импульса τ_in = 250 мкс; радиус пятна фокусировки излучения r_in ≈ 0,2 см; толщина слоя жидкости длина резонатора L = 7 см; плотность энергии накачки E_in = 6,96 Дж/см³.

Несмотря на то что иттербий содержащая активная среда на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса имеет наибольшее сечение поглощения излучения в области λ = 976,5 нм, накачка в область λ_in = 934 нм представляется предпочтительной. В этом случае можно получить генерацию на λ_out = 977 нм и требования к длине волны излучения источника накачки и ее стабильности при изменении температуры не столь жесткие из-за большей ширины полосы поглощения.

На фиг. 3 представлены результаты расчетов временных зависимостей выходной мощности P_out излучения жидкостного лазера на длинах волн λ_out = 1003 (1) и 1029,5 нм (2) и мощности диодной накачки P_in (3) жидкостного лазера на иттербий содержащей активной среде. На λ_out = 1003 нм оптимальная генерация достигается при пропускании выходного зеркала 0,05; порог генерации P_thr = 1,15 Дж/см³; выходная энергия генерации E_out = 3,7 Дж/см³ и оптический КПД ≈ 53%. На λ_out = 1029.5 нм оптимальная генерация достигается при пропускании выходного зеркала 0.01, порог генерации P_thr = 1.16 Дж/см³, выходная генерации E_out = 2.25 Дж/см³ и оптический КПД ≈ 32%.

Сравнение показывает, что оптический КПД жидкостного иттербиевого лазера с диодной накачкой многократно больше, чем полученный ранее КПД неодимового лазера, 6% [Mi L., Yali W., Chunling L. et al. Output Characteristic Research of Inorganic Liquid Laser System Pumped with Laser Diode Array // Acta Optica Sinica. 2011. V. 31. №2. P. 135-138].

1. Активная среда жидкостного лазера с диодной накачкой на основе оксихлорида фосфора и кислоты Льюиса, отличающаяся тем, что активная среда содержит иттербий, причем иттербий связан в дихлорфосфатный комплекс, образованный при растворении соединения иттербия в оксихлориде фосфора.

2. Активная среда по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве кислоты Льюиса используют тетрахлорид циркония при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

иттербий	0,5-3
тетрахлорид циркония, ZrCl4	1-4
оксихлорид фосфора, POCl3	остальное,

причем дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора.

3. Активная среда по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве кислоты Льюиса используют тетрахлорид олова при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

иттербий	0,5-5
тетрахлорид олова, SnCl4	1-12
оксихлорид фосфора, POCl3	остальное.

4. Активная среда по п. 3, отличающаяся тем, что дихлорфосфатный комплекс образован при растворении трифторацетата иттербия Yb(CF₃CO₂)₃ в оксихлориде фосфора.

5. Активная среда по п. 3, отличающаяся тем, что дихлорфосфатный комплекс образован при растворении перхлората иттербия Yb(ClO₄)₃ в оксихлориде фосфора.