Способ изготовления активного элемента твердотельного лазера

 

(19)SU(11)814225(13)A1(51)  МПК ⁶    _H01S3/16(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 17.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Изобретение относится к области квантовой электроники, к способам изготовления активных элементов твердотельных ОКГ и может быть использовано при создании перестраиваемых по частоте оптических квантовых генераторов (ОКГ) и усилителей (ОКУ) инфракрасного диапазона. Известен способ изготовления активных элементов на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в выращивании монокристалла без дополнительной обработки сырья и облучения монокристалла электроники при комнатной температуре. Активные элементы, изготовленные таким способом, работают при низкой температуре, не превышающей 200^оК. Это обусловлено тем, что оптически активные центры при более высоких температурах разрушаются. Вследствие этого необходимо охлаждать активный элемент жидким азотом или иным способом, что значительно усложняет конструкцию лазера или усилителя и ухудшает условия его эксплуатации. Наиболее близким техническим решением является способ изготовления активных элементов на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в выращивании монокристалла методов Киропулоса с введением в шихту примесей LiOH и последующим облучением выращенного монокристалла ионизирующим излучением при температуре 330^оК с дозой 10⁷ р. Рабочими центрами в таком активном элементе являются F₂⁺-центры, создаваемые под действием ионизирующего излучения и стабилизированные двухзарядными ионами кислорода. Недостатком активного элемента, изготовленного таким способом, является малая величина коэффициента оптического усиления, ограниченная малой концентрацией рабочих центров, в образовании которых участвуют ионы гидроксила. Попытка увеличения концентрации гидроксила путем введения в шихту примеси LiOH неэффективна, так как при нагревании LiOH разлагается с образованием окисла, который захватывается растущим кристаллом в виде фазы. Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента оптического усиления при комнатной температуре путем увеличения концентрации рабочих центров, а также более равномерное распределение коэффициента усиления по объему активного элемента. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления активных элементов твердотельного лазера на основе монокристалла фторида лития, включающем засыпку шихты, выращивание монокристалла из расплава с последующим облучением его ионизирующим излучением, шихту дополнительно измельчают и увлажняют, а облучение монокристалла производят с фазой 10⁷-4 ˙ 10⁷ Р при температуре от 50-100^оС. Выращивание производят из шихты, предварительно измельченной до размеров 0,5 мкм и увлажненной до 5%
Другое отличие состоит в том, что облучение ведут при температуре от 50^о-100^оС дозой 4 ˙ 10⁷ Р. Предварительное измельчение и увлажнение сырья приводят к значительному увеличению концентрации гидроксил-ионов в монокристалле, которые служат для образования 0^-- F₂⁺-рабочих центров. Принципиальное отличие предлагаемой операции введения гидрокисла за счет измельчения шихты и ее увлажнения от введения гидроксила в виде LiOH примеси состоит в том, что при нагревании при 100-200^оС не происходит превращения гидроокиси лития в окись, так как гидролиз фтористого лития и образование LiOH начинается при 300-400^оС. В этом случае самостоятельной фазы не образуется, а образуются твердые растворы LiF-LiOH, что препятствует превращению гидроксила в окись лития. В результате этого концентрация LiOH в расплаве достигает значительных величин без заметного увеличения примеси Li₂O, которая, вкрапляясь в кристалл в виде фазы, делает их непригодными к использованию в качестве активных элементов. С другой стороны, наиболее эффективно в процессе образования 0^--F₂⁺-центров участвуют одиночные ионы гидроксила, которые составляют незначительную часть общего их числа в монокристалле фторида лития. Другая часть образует сложные комплексы. Эти комплексы могут разрушаться при повышении температуры кристалла, увеличивая концентрацию одиночных ионов ОН^-. Под действием ионизирующего излучения происходит радиолиз ОН^- с образованием диполей 0^-- -V_a⁺, где Va⁺ анионная вакансия. Диполи диффундируют и объединяются с 0^-- F₂⁺-центрами, образуя F-центры. При повышении температуры кристалла их подвижность, а следовательно, эффективность образования 0^{- -} F_a⁺ увеличивается. Таким образом, при увеличении температуры облучения за счет увеличения концентрации свободных ионов ОН^- и увеличения подвижности диполей 0^-- V_a⁺увеличивается эффективность образования 0^{- -} F₂⁺ рабочих центров. Температура облучения не должна превышать 100^оС, так как при этой температуре 0^{- -} F₂⁺ центры начинают разрушаться за счет отхода анионной вакансии в комплексе
0^--V⁺_aF ≡ 0^--F⁺₂
Наряду с образованием 0^-- F₂⁺ центров под действием ионизирующего излучения в кристалле фтористого лития образуются F₂⁺-центры, полоса поглощения которых перекрывается с полосой излучения F₂⁺ 0^{- -}-рабочих центров. Реабсорбция существенно снижает квантовый выход люминесценции F₂⁺ 0^{- -}-центров, а, следовательно, коэффициент оптического усиления. Концентрация образующихся F^-₂ -центров в LiF тем меньше, чем больше число электронных ловушек, в качестве которых служат ионы водорода и кислорода, являющиеся продуктами радиолиза ОН^-. F₂^--центры в кристалле LiF с пониженной концентрацией ОН^- начинает создаваться уже при дозах 10⁷ Р, в то время, как в LiF с повышенной концентрацией одиночных ионов ОН^- только при дозах 4 ˙ 10⁷ Р. Повышение же дозы облучения до 4 ˙ 10⁷ Р позволяет увеличить концентрацию F₂⁺-центров. П р и м е р. На фиг. 1 приведены спектры поглощения кристаллов фторида лития (кривая а) выращенного из сырья, не подвергавшегося дополнительной обработке и облученного γ-излучением радиоактивного кобальта Со⁶⁰ при 25^оС с экспозиционной дозой 10⁷ Р (I) и кристалла фторида лития (кривая б), выращенного по предложенному способу из измельченного и увлажненного сырья и облученного γ-излучением Со⁶⁰дозой 4 ˙ 10⁷ Р при температуре 80^оС (2). Из сопоставления кривых (а) и (б) видно, что концентрация F₂⁺ 0^---центров, пропорциональная коэффициенту поглощения в спектральной области 660-700 км, выше в кристалле LiF, выращенном из обработанного сырья. Из монокристаллов фторида лития 1 и 2 были изготовлены активные элементы, представляющие собой параллелепипеды размером 20х10х10 мм, противоположные грани которых отполированы. Испытание активных элементов проводилось в установке, изображенной на фиг. 2. Для накачки использовалось излучение первой гармоники рубинового лазера 1 с длиной волны 694 нм, работающего в режиме с модулированной добротностью. Активный элемент из фторида лития 2 помещался в резонатор, образованный диэлектрическими зеркалами 3, 4, с коэффициентами отражения R₁ 99,9% и R₂ 96% Часть излучения рубинового лазера с помощью делительной пластинки 5 сводится на коаксиальный фотоэлемент 6 ФЭК-09. Электрический импульс с фотоэлемента регистрировался осциллографом CI-707. Излучение лазера на LiF регистрировалось с помощью электронно-оптического преобразователя ЭОП 8. Сравнение пороговых мощностей генерации кристаллов фторида лития кривая а и б (фиг. 1) производилось следующим образом. Мощность накачки уменьшалась с помощью светофильтров до тех пор, пока не исчезал сигнал генерации LiF кривая а и б (фиг. 1). Эта мощность накачки и явилась пороговой. Затем сравнивались величины сигналов порогового уровня накачки на экране осциллографа для LiF кривая а и б (фиг. 1). Такие измерения были проделаны 10-20 раз. Сравнение показало, что мощность накачки для LiF (кривая б) в среднем на порядок меньше, чем для LiF (кривая а). Поскольку коэффициент усиления в области накачки, близкой к пороговой, пропорционален интенсивности накачки, то, следовательно, коэффициент оптического усиления на 1 см длины активного элемента на основе LiF (кривая б) в 10 раз выше, чем для активного элемента на основе LiF (кривая а). Таким образом, цель изобретения достигнута. Использование предлагаемого способа изготовления активного элемента по сравнению с известными обеспечивает высокую концентрацию рабочих центров с сохранением достаточной оптической однородности, что значительно повышает коэффициент усиления активного элемента.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА на основе монокристалла фторида лития, включающий загрузку шихты, выращивание монокристалла из расплава с последующим облучением его ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения оптического коэффициента усиления за счет увеличения концентрации рабочих центров, шихту дополнительно измельчают и увлажнаяют, а облучение монокристаллов производят с дозой 10⁷ 4 · 10⁷ рентген при температуре от 50 100^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2