оптическая среда для преобразования монохроматического излучения лазера и способ ее получения

Формула изобретения

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 Er_xY_2-xCaGe ₄O₁₂, где 0,1<х<0,3.

2. Способ получения оптической среды, представляющей собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава Er_xY_2-xCaGe ₄O₁₂, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к новому соединению класса оптических материалов - ахроматоров на основе неорганических кристаллических соединений, конкретно к сложным кальциевым тетрагерманатам эрбия и иттрия состава Еr_хY_2-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 ( =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 =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 (Ba_1-x Sr _x)_yW_zO₄, 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 Er_xY_2-xCaGe₄O ₁₂, где 0.1<х<0.3.

Поставленная задача решена также в способе получения оптической среды, представляющей собой сложный кальциевый тетрагерманат эрбия и иттрия состава Er_xY_2-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 =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 Er_xY_2-x CaGe₄O₁₂, 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 ( =3500-4200 см^-1) с одновременным усилением преобразованного излучения. Как показали исследования, проявление люминесценции предлагаемых соединений в области сдвигов =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 Er_xY_2-xCaGe₄O₁₂ , где 0.1 x 0.3.

Сложный кальциевый тетрагерманата эрбия и иттрия состава Er_xY_2-xCaGe₄ O₁₂, 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 Er_0,1 Y_1,9CaGe₄O₁₂. Параметры решетки a=9,9851(5) ; с=5,0639(3) . 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 Er_0,3 Y_1,7CaGe₄O₁₂. Параметры решетки а=9,9887(5) ; с=5,0660(3) . 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 Er_x Y_2-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 ( =3500-4200 см^-1) с одновременным усилением преобразованного излучения. Такие материалы могут найти применение в фотонике в качестве оптических сред.