вещество для пассивного лазерного затвора

Формула изобретения

Вещество для пассивного лазерного затвора, работающего в области длин волн 1,2 - 1,6 мкм, содержащее ионы Co²⁺, отличающееся тем, что оно является прозрачной стеклокерамикой с кристаллической фазой нормальной шпинели и содержит от 0,005 до 0,2 мас.% оксида кобальта CoO.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности к материалам для изготовления пассивных лазерных затворов или систем развязки многокаскадных генераторов.

Для создания импульсных твердотельных лазеров, излучающих импульсы длительностью 0,5 - 100 нс, используется режим модуляции добротности резонатора лазера. Для модуляции добротности резонаторов твердотельных лазеров, работающих в диапазоне длин волн 1,5 мкм, используются пассивные лазерные затворы на основе кристаллов фторидов кальция и стронция с примесью ионов урана U: CaF₂, U: SrF₂, [1 и 2], кристалла селенида цинка с примесью ионов кобальта Co:ZnSe [3 и 4] и кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната с примесью ионов кобальта Co:YSGG [5]. Процесс модуляции добротности резонатора с помощью затворов из упомянутых кристаллов основан на свойстве насыщающегося поглощения в области 1,5 мкм. Насыщающееся поглощение в этих кристаллах обусловлено электронными и электронно-колебательными переходами в примесных ионах U⁴⁺ или Co²⁺.

Выращивание монокристаллов фторидов и селенидов приводят из газовой фазы, гидротермальным способом, кристаллизацией из расплава методом Бриджмена-Стокбаргера. Каждый из указанных способов требует специального оборудования с дорогостоящей футеровкой и создания определенных условий: вакуума или давления, атмосферы инертного газа. Производство монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната Co:YSGG является дорогостоящим из-за необходимости использования иридиевых тиглей, значительной трудоемкости и высоких энергозатрат при выращивании кристаллов.

Известна прозрачная стеклокерамика с кристаллической фазой ганита, содержащая примесные ионы кобальта Co²⁺ [6].

Исследование поглощения этого вещества в области 1,2 - 1,6 мкм показали, что величина параметра насыщения поглощения не велика, однако в состоянии насыщения поглощения присутствует большое остаточное поглощение. Это препятствует использованию этого материала в пассивных лазерных затворах. Причина большого остаточного поглощения связана с большой концентрацией примеси оксида CoO, предложенной в [6] (до 1 мас.%), что приводит к образованию дополнительных типов поглощающих в области длин волн 1,5 мкм центров с участием ионов Co²⁺, но интенсивность насыщения поглощения этих дополнительных центров велика для использования материала в лазерах.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является кристалл иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов кобальта Co: Y₃Al₅O₁₂. Интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,54 мкм для данного кристалла составляет 100 МВт/см² [5].

Из-за большой величины интенсивности насыщения поглощения в веществе-прототипе приходится использовать фокусирующие линзы для создания необходимой для открытия затвора интенсивности генерируемого излучения. Это усложняет конструкцию резонатора и предъявляет повышенные требования к элементам резонатора по стойкости к излучению. Кроме того, производство монокристаллов иттрий-алюминиевого граната Co:Y₃Al₅O₁₂ как и Co:GSGG является дорогостоящим.

Задачей изобретения является создание вещества для пассивных лазерных затворов для области длин волн 1,2 - 1,6 мкм, обладающего низкой интенсивностью насыщения поглощения и технологичного в производстве.

Для решения этой задачи нами предлагается новое вещество для пассивных лазерных затворов - прозрачная стеклокерамика с кристаллической фазой номинальной шпинели и примесью ионов Co²⁺ от 0,005 до 0,2 мас.%.

Нормальная шпинель - кристаллическое соединение со структурой шпинелей и с общей формулой AB₂O₄, где A - тетраэдрически координированный двухвалентный катион, B - октаэдрически координированный трехвалентный катион. Ионы Co²⁺, замещающие в этом кристалле ионы двухвалентного металла, поглощают излучение в области 1,2 - 1,6 мкм.

На чертеже представлен спектр поглощения характерного представителя этого класса веществ - стеклокерамики с кристаллической фазой ганита ZnAl₂O₄ и примесью ионов Co²⁺. Полоса поглощения в области 1,2 - 1,6 мкм обусловлена электронно-колебательным переходом между основным состоянием ⁴A₂ и возбужденным ⁴T₁.

Нами были проведены исследования насыщения поглощения предлагаемых веществ. В результате установлено, что интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,54 мкм не более 30 МВт/см². Небольшая, по сравнению с прототипом, величина интенсивности насыщения обусловлена относительно большой величиной дифференциального сечения поглощения, которое составляет около 3 10^-19 см², и относительно низкой вероятностью безызлучательной релаксации возбужденного состояния иона Co²⁺.

Высокая величина сечения поглощения обеспечивается тем, что ионы Co²⁺ находятся в кристаллическом поле точечной группы симметрии T_d. Из-за отсутствия операции инверсии в этой точечной группе симметрии разрешен электродипольный переход ⁴A₂-⁴T₁ , который отвечает за поглощение в области 1,2 - 1,6 мкм. С другой стороны, высокая кубическая симметрия тетраэдрической позиции в решетке нормальной шпинели обеспечивает относительно низкую вероятность безызлучательной релаксации с возбужденного уровня ⁴T₁ . В совокупности эти два фактора обеспечивают небольшую величину интенсивности насыщения поглощения и, следовательно, возможность использования этого вещества для изготовления пассивного лазерного затвора.

При концентрации примеси оксида кобальта CoO более 0,2% образуются дополнительные центры с большой величиной параметра насыщения, что приводит к большому остаточному поглощению в состоянии насыщения поглощения. Это препятствует использованию данного вещества с концентрацией примеси оксида кобальта CoO более 0,2% в пассивных лазерных затворах.

При концентрации примеси оксида кобальта CaO менее 0,005% из-за малости коэффициента поглощения неоправданно возрастает длина затвора, необходимая для получения требуемой величины начального пропускания.

Для того чтобы подтвердить возможность осуществления изобретения, были изготовлены шесть образцов пассивных лазерных затворов из стеклокерамики с разным химическим составом в соответствии с формулой изобретения. Основой для получения стеклокерамического материала были выбраны стекла систем MgO-Al₂O₃-SiO₂ и ZnO-Al₂O₃-SiO₂, составы которых приведены в табл. 1.

Стекла варили из сырья марки ОСЧ или ХЧ в кварцевых тиглях объемом 200 или 1000 мл в электропечи при 1550 - 1600^oC в течение 2 - 5 ч. Формование стекол осуществляется литьем. Для получения прозрачного стеклокерамического материала стекла подвергали термической обработке в области температур 700 - 1000^oC с шагом 100^oC и выдержкой на каждой ступени по 4 ч. В процессе термообработки в объеме стекла образцов NN 1, 2 и 3 вырастали микрокристаллы магниевой шпинели с примесью ионов кобальта MgAl₂O₄:Co²⁺, а в объеме стекла образцов N 4, 5 и 6 вырастали микрокристаллы ганита с примесью ионов кобальта ZnAl₂O₄:Co²⁺. Из полученных материалов были изготовлены пассивные затворы в виде плоскопараллельных пластинок с двумя типами антиотражающих покрытий либо на длину волны 1,54 мкм, либо на длину волны 1,32 мкм.

Для генерации импульсов излучения в режиме модуляции добротности полученные образцы помещались или в резонатор лазера на стекле с ионами эрбия Fr³⁺ с ламповой накачкой, или в резонатор лазера на кристалле иттрий-алюминиевого граната с ионами неодима Y₃Al₅O₁₂:Nd с ламповой накачкой. В первом случае при энергии накачки 7 Дж были получены моноимпульсы излучения на длине волны 1,54 мкм, соответствующие режиму модуляции добротности. Во втором случае при энергии накачки 30 Дж были получены моноимпульсы излучения на длине волны 1,32 мкм, соответствующие режиму модуляции добротности. Параметры импульсов излучения обоих лазеров приведены в табл. 2.

Для производства предлагаемого вещества для пассивного затвора не требуется разработки специального оборудования. Его получают традиционными методами стекловарения, что обеспечивает снижение затрат при производстве предлагаемого материала. Применение пассивного затвора из предлагаемого вещества не требует специальных фокусирующих элементов в резонаторе лазера.

Литература

1. R.D.Stultz, M.B. Camargo, S.T. Montgomery, M. Birnbaum, K. Spariosu, Appl. Phys. Lett., V. 64, p. 948, 1994.

2. R.D. Stultz, M.B. Camargo, M.Birnbaum, J. Appl. Physics., V. 78 (5), p. 2959, 1995.

3. D.L. Deloach; R.H. Page, G.D. Wilke, S.A. Payne, W.F. Krupke, IEEE J. Quant. Electronics, V. 32 (6), p. 885, 1996.

4. M. Birnbaum, M.B. Camargo, S. Lee, F. Unlu, R.D. Stultz, "Co²⁺: ZnSe Saturable Absorber Q-switch for the 1.54 m Er³⁺:Yb³⁺: Glass Laser", Technical Digest of Advanced Solid State Lasers Topical Meeting, Jan. 27-29, 1997, Orlando, Florida. ME7.

5. M.B. Camargo, R.D. Stultz, and M. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20(3), p. 339, 1995 - прототип.

6. Патент РФ N 1811512. Стекло для прозрачного стеклокерамического материала на основе ганита.