лазерное вещество

Формула изобретения

Лазерное вещество на основе кристалла фторида бария и иттрия, активированного трехвалентными ионами церия BaY₂F ₈:Ce³⁺, отличающееся тем, что в него дополнительно введены ионы иттербия и лютеция в концентрации 0,5-5,0 ат.% и 1-5 ат.% соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра.

Известно, что одним из перспективных способов получения перестраиваемого по частоте лазерного излучение УФ-диапазона является использование межконфигурационных 5d-4f переходов ионов лантаноидов, внедренных в широкозонные диэлектрические кристаллы. В то же время, из-за эффектов поглощения из возбужденных состояний и образования центров окраски под действием излучения накачки, УФ лазерная генерация реализована лишь на нескольких кристаллических активных средах [1]. Бороться с образованием центров окраски под действием излучения накачки для некоторых кристаллических материалов удается кристаллохимическим методом, заключающимся в соактивации образцов ионами Yb³⁺ и Lu³⁺ [2], [3]. Однако данный метод не является универсальным, т.к. эффекты уменьшения коэффициента поглощения индуцированных излучением накачки центров окраски не всегда наблюдаются в желаемой спектральной области, или же происходит изменение валентности соактиваторных ионов, сопровождающееся возникновением новых полос поглощения в области возможной лазерной генерации [4].

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по совокупности совпадения характерных признаков и достигаемых результатов, является кристалл BaY₂F₈, активированный ионами церия [5].

По данным [5] кристаллы BaY ₂F₈, активированные ионами Ce³⁺, в условиях импульсной накачки излучением XeCl-лазера, обладают способностью кратковременно усиливать ультрафиолетовое излучение в области 345 нм. Однако вследствие образования и накопления под действием излучения накачки долгоживущих центров окраски, обладающих поглощением в области длин волн возможной лазерной генерации (300-400 нм), коэффициент усиления оптического излучения в области 5d-4f переходов церия на длине волны 345 нм уменьшается с каждым актом накачки. В результате, после нескольких десятков импульсов накачки, эффект усиления УФ-излучения сменяется эффектом поглощения [5]. Именно по этой причине лазерная генерация, в ультрафиолетовом диапазоне с использованием в качестве рабочих переходов межконфигурационных 5d-4f переходов ионов Ce³⁺ в кристаллах BaY₂F₈, реализована не была.

Целью изобретения является создание лазерного вещества на основе кристалла двойного фторида бария и иттрия (BaY ₂F₈), активированного ионами церия, использующего в качестве рабочих переходов межконфигурационные 5d-4f переходы ионов Ce³⁺.

Поставленная цель достигается тем, что помимо ионов церия в кристаллы BaY₂F ₈ дополнительно вводятся ионы иттербия и лютеция. Концентрация дополнительно вводимых ионов Yb³⁺ и Lu³⁺ составляет, соответственно, от 0,5 до 5 ат.% и 1-5 ат.%. При этом, по сравнению с кристаллом прототипа, обеспечивается:

1) уменьшение коэффициента потерь (коэффициент поглощения центров окраски) в области длин волн 300-400 нм, наведенных излучением накачки, от 1,5 до 2,7 раза;

2) реализация эффекта лазерной генерации на межконфигурационных 5d-4f переходах ионов церия в кристаллах BaY₂F₈.

Новизна заявляемого лазерного вещества состоит в том, что для кристаллов данного химического состава (BaY₂F ₈) УФ лазерная генерация до сих пор реализована не была, и в литературе не обнаружено технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков и приводящих к достижению заявляемых целей.

Заявляемое лазерное вещество не является очевидным для специалистов, занимающихся поисковыми исследованиями новых активных сред, кристаллы BaY₂F₈, активированные ионами Ce³⁺ и одновременно соактивированные ионами Yb³⁺ и Lu³⁺, ранее не исследовались, что явилось объективной причиной, не позволившей ранее получить заявленный технический результат.

Как показали проведенные эксперименты, в случае промышленного применения заявляемого лазерного вещества с оптимальным содержанием ионов иттербия и лютеция, удается расширить диапазон длин волн, в котором лазерное УФ-излучение может быть получено без использования техники нелинейного преобразования частот лазеров других диапазонов, что, в свою очередь, позволяет сделать более дешевыми, по сравнению с существующими, источники когерентного УФ-излучения.

ПРИМЕР 1.

Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Для того чтобы обеспечить высокую степень чистоты выращиваемых кристаллов, использовались компоненты химической чистоты не менее 99.999%. Шихту помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме (5×10^-5 мм рт.ст.) при температуре 200°C в течение 24 часов. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре 1015°C в течение 4 часов. Рост кристаллов осуществляли в атмосфере газообразного аргона химической чистоты 99.99% и давлении 1300 гПа. Скорость выращивания кристалла составляла 0,5 мм/ч. Скорость вращения тигля вокруг оси составляла 6 об./мин. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6 мм и длиной до 30÷35 мм. Кристаллы не имели окраски, были прозрачными и хорошего оптического качества. Кристаллы ориентировались с помощью методов рентгеновской дифрактометрии. Затем из них изготавливались образцы в виде полированных пластин размером 4×4×1 мм. Расположение кристаллографических осей c и b выбиралось таким образом, чтобы они лежали в плоскости пластин и обеспечивали возможность измерений поляризационно-зависимых оптических свойств образцов. Для сравнительных экспериментов использовали кристалл прототипа BaY₂F₈:Ce ³⁺ и кристалл заявляемого химического состава BaY_0.94 Lu_0.04Yb_0.02F₄:Ce³⁺ . Концентрация ионов Ce³⁺ составляла в обоих случаях 0,5 ат.%.

Исследование характеристик индуцированного излучением накачки спектров поглощения долгоживущих центров окраски в образцах осуществляли методом зондирования возбужденных образов пробным излучением (метод "накачка-зондирование", в англоязычной литературе - pump-probe experiments). Длина волны накачки составляла 300 нм. Плотность энергии накачки 0,9 Дж/см ². В качестве излучения зондирования использовали излучение галогеновой лампы накаливания. Спектры поглощения центров окраски, индуцируемых излучением накачки в кристаллах прототипа и заявляемого химического состава, приведены на фиг.1.

В случае дополнительного легирования кристаллов BaY₂F₈ :Ce³⁺ ионами Yb³⁺ и Lu³⁺ с концентрациями, соответственно, 4 и 2 ат.%, коэффициент индуцированных излучением центров окраски в области длин волн 310÷380 нм оказывается в 2,7 раза меньше, чем в кристаллах прототипа.

ПРИМЕР 2.

Качество и способы подготовки компонентов шихты, а также условия выращивания кристаллов для экспериментов, направленных на реализацию эффекта лазерной генерации, были идентичными описанным в примере 1. Однако, в отличие от примера 1, выращивание кристаллов осуществлялось «на затравку»: в затравочную камеру тигля помещался ориентированный кристалл того же состава. При этом расположение оптической оси затравки определяло направление оптической оси выращиваемого кристалла. Выращивались образцы химического состава BaY_0.93Lu_0.05Yb _0.02F₄:Ce³⁺, где концентрация ионов Ce³⁺ составляла 0,5 ат.% (c=0,5 ат.%), с расположением кристаллографических осей c и b лежащими в плоскости, перпендикулярной направлению роста кристаллов. Размер и оптическое качество полученных кристаллов были такими же, как описанные в примере 1. Из них изготавливались активные элементы, представляющие собой цилиндры с плоскопараллельными основаниями и плоским окном, длиной, равной длине цилиндра, и высотой 4 мм, выполированным на образующей цилиндра. Расположение окна выбиралось таким образом, чтобы кристаллографическая ось b лежала в его плоскости.

Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси ксенона и хлора с длиной волны излучения 308 нм. Частота следования импульсов накачки - 0,5 Гц. Максимальная плотность энергии накачки на поверхности образца составляла 950 мДж/см². Лазерный резонатор был образован плоскими зеркалами с коэффициентами отражения в области 300÷390 нм, соответственно, 99% и 82%. Порог возбуждения лазерной генерации на длине волны 344 нм составил 52 мДж/см², а дифференциальный КПД генерации - 18%. Выходные характеристики лазера приведены на фиг.2. В кристаллах прототипа лазерную генерацию не удалось получить из-за образования и накопления в образцах долгоживущих центров окраски коэффициент поглощения, которых превышал коэффициент усиления на 5d-4f переходах ионов Ce³⁺.

Источники информации

1. Семашко В.В. Проблемы поиска новых твердотельных активных сред ультрафиолетового и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов спектра: роль фотодинамических процессов / В.В.Семашко // ФТТ - 2005 - Т.47 - № 8 - С.1450-1454.

2. Semashko V.V. Laser properties of the excimer-pumped photochemically stabilized Ce ³⁺:LiLuF₄ tunable UV active material / V.V.Semashko, M.A.Dubinskii, R.Yu.Abdulsabirov, A.K.Naumov, S.L.Korableva, P.Misra, C.Haridas // Proc. of the Internat. Conf. on LASERS 2000 (Albuquerque, NM, Dec.4-8, 2000), STS Press, McLean, VA - 2001 - P.675-678.

3. Laroche M. Beneficial effect of Lu³⁺ and Yb³⁺ ions in UV laser materials / M.Laroche, S.Girard., R.Moncourge, M.Bettinelli, R.Abdulsabirov, V.Semashko // Opt. Materials - 2003 - V.22 - № 2. - Р.147-154.

4. Низамутдинов А.С. Исследование фотодинамических процессов в кристаллах CaF₂, активированных ионами Ce³⁺ и Yb³⁺ / А.С.Низамутдинов, В.В.Семашко, А.К.Наумов, Р.Ю.Абдулсабиров, С.Л.Кораблева, М.А.Марисов // ФТТ - 2005 - Т.47 - № 8 - С.1403-1405.

5. Каминский А.А. Усиление УФ-излучения на межконфигурационном переходе 5d-4f иона Ce ³⁺ в BaY₂F₈ / А.А.Каминский, С.А.Кочубей, К.Н. Наумочкин, Е.В.Пестряков, В.И.Трунов, Т.В.Уварова // Квантовая электроника. - 1989. - Т.16. - № 3. - С.514-517.