оптический лазерный материал и способ его получения

Формула изобретения

1. Оптический лазерный материал, содержащий твердотельные наночастицы в прозрачной для оптической области инертной среде, отличающийся тем, что в качестве наночастиц он содержит диэлектрический или полупроводниковый материал, активированный люминесцирующими ионами, при этом наночастицы имеют размер меньший, чем длина волны люминесценции, и равномерно распределены в сплошной изотропной диэлектрической инертной среде, при этом отношение показателя преломления наночастицы n_cr к показателю преломления инертной среды n_med устанавливают в диапазоне 1,01-3,5, при этом объемная доля наночастиц в среде составляет 0,001-0,7, и материал характеризуется увеличенным значением времени жизни верхнего лазерного уровня .

2. Способ получения лазерного материала, включающий распределение твердотельных наночастиц в прозрачной для оптической области инертной среде, отличающийся тем, что в качестве наночастиц используют диэлектрический или полупроводниковый материал, активированный люминесцирующими ионами, при этом наночастицы имеют размер меньший, чем длина волны люминесценции, и равномерно распределены в сплошной изотропной диэлектрической или полупроводниковой инертной среде, при этом отношение показателя преломления наночастицы n_cr к показателю преломления инертной среды n_med и объемную долю наночастиц в упомянутой среде устанавливают с учетом заданной величины времени жизни верхнего лазерного уровня в нанокомпозите.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что размер наночастиц диэлектрического или полупроводникового материала составляет 10-300 нм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что наночастицы диэлектрического или полупроводникового материала имеют сферическую форму.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что наночастицы диэлектрического или полупроводникового материала представляют собой неорганические соединения, легированные ионами редкоземельных и/или переходных металлов, выбранные из оксидов, солей кислородсодержащих кислот, сульфидов, селенидов, галогенидов.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что наночастицы диэлектрического или полупроводникового материала являются кристаллическими или стеклообразными.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что инертная среда представляет собой газ, жидкость или твердый полимерный, стеклообразный или кристаллический материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к созданию лазерных материалов, используемых в качестве оптической среды для получения вынужденного излучения.

Известны монокристаллы на основе фторидов щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов (Справочник по лазерам. Ред. А.М.Прохоров. - М.: «Советское Радио», 1978, т.1, 504 с.). При получении лазерных монокристаллов осуществляют легирование активаторами - ионами переходных и редкоземельных металлов.

Однако выращивание крупных монокристаллов с высокой концентрацией легирующей добавки и высоким оптическим качеством является технически сложной задачей.

Известен лазерный материал из фторидной керамики, образованной в виде гомогенного твердого раствора из смеси фторидов щелочноземельных металлов в качестве основы и с легирующей добавкой в виде одного или нескольких фторидов из группы редкоземельных металлов, способных образовать с основой гомогенный твердый раствор со структурой флюорита, при следующем мольном соотношении: основа - 50-99, легирующая добавка - 1-50, при этом исходная смесь содержит компоненты с введенным в них избытком фтор-иона (RU 2321120, 27.03.2008).

Недостатком известного материала является сложность технологии, ограниченный ассортимент материалов, трудность достижения необходимого качества обработки поверхности.

Известны лазерные материалы, представляющие собой кристаллические порошки на основе оксида цинка, которые получают следующим образом. Целлюлозный носитель пропитывают ZnO-прекурсором - водным раствором соли цинка органической кислоты, а затем подвергают носитель высокотемпературному пиролизу, причем в качестве целлюлозного носителя применяют фильтр бумажный обеззоленный (RU 2326994, 20.06.2008).

Известны активированные наноразмерные частицы оксидов металлов, которые демонстрируют вынужденное излучение и непрерывную лазерную генерацию при возбуждении электронными пучками, а также люминесцентные порошки, представляющие собой смесь на основе оксидов металлов, одним из которых является оксид переходного или редкоземельного металла с размером частиц менее 500 нм (US 6656588, 02.12.2003).

Наноразмерные материалы обладают преимуществами по сравнению с твердотельными лазерами на основе монокристаллов не только из-за более простой технологии их изготовления, но и из-за отсутствия необходимости использования при лазерной генерации дорогостоящего внешнего оптического резонатора.

Известны также лазерные материалы, представляющие собой рассеивающие частицы оксидов титана и цинка, введенные в раствор красителя (Sha W.L., Liu C.-H., Alfano R.R. Spectral and temporal measurements of laser action of rhodamine 640 dye in strongly scattering media // Opt. Lett. 1994. V.19. P.1922).

Однако недостатком такого материала является быстрое обесцвечивание красителя, хотя при введении наночастиц как центров рассеивания процесс обесцвечивания замедляется.

Известен также материл на основе стекла, активированного красителем и полученного по золь-гель технологии. Полученное стекло в форме пластины толщиной 2 мм с размером торцевой грани 10×15 мм² подвергали сушке и обрабатывали традиционными оптическими методами. Полученный образец выдержал оптическую обработку без разрушений и был опробован в качестве активного элемента твердотельного лазера (RU 2209188, 27.07.2003).

Известны люминесцирующие прозрачные нанокомпозитные материалы, содержащие инертную матрицу и активные неорганические наночастицы размером 1-100 нм. Этот материал оптически прозрачен в области возбуждения и люминесценции активных ионов, содержащихся в матрице (US 7094361, 22.08.2006).

Однако в известном материале используется только спонтанное излучение (люминесценция, флюоресценция, фосфоресценция) наночастиц. В известном материале не обнаружено свойство лазерной генерации или усиления света.

Известен материал, содержащий неорганические кристаллические наночастицы, помещенные в прозрачную среду с линейными оптическими свойствами, при этом наночастицы состоят из ядра, содержащей поглощающие центры, например примеси или дефекты. Оболочка и ядро наночастицы изготовлены из одного материала. При воздействии лазерного излучения на нелинейно-оптическую среду в оболочке наночастицы, содержащей дефекты, начинается фотогенерация неравновесных электронов из примесной зоны в зону проводимости. Изменение концентрации носителей приводит к появлению нелинейной добавки к показателю преломления и поглощения оболочки. При фотогенерации носителей возникает градиент их концентрации между оболочкой и ядром, и начинается их диффузия вглубь ядра. В результате изменяется диэлектрическая проницаемость наночастицы, что приводит к изменению ее сечения поглощения и рассеяния (RU 2267145, 20.02.2005) - прототип.

Известный материал рекомендован для защиты фотоприемных устройств от ослепления лазерным излучением повышенной интенсивности и для создания низкопороговых оптических переключателей.

Задачей настоящего изобретения является разработка нанокомпозитного оптического материала с заданными значениями времени жизни верхнего лазерного уровня для улучшения характеристик лазерной генерации и усиления света.

Поставленная задача решается описываемым оптическим лазерным материалом, содержащим твердотельные наночастицы в прозрачной в оптической области инертной среде, причем в качестве наночастиц он содержит диэлектрический или полупроводниковый материал, активированный люминесцирующими ионами, при этом наночастицы имеют размер меньший, чем длина волны люминесценции, и равномерно распределены в сплошной изотропной диэлектрической инертной среде, при этом отношение показателя преломления наночастицы n_cr к показателю преломления инертной среды n_med устанавливают в диапазоне (1,01-3,5), при этом объемная доля наночастиц в среде составляет (0,001-0,7), и материал характеризуется отношением произведения радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня в нанокомпозите к его значению в массивном кристалле равным от 1,07 до 19.

Поставленная задача решается также описываемым способом получения оптического лазерного материала путем распределения твердотельных наночастиц в прозрачной в оптической области инертной среде, при этом в качестве наночастиц используют диэлектрический или полупроводниковый материал, активированный люминесцирующими ионами, при этом наночастицы имеют размер меньший, чем длина волны люминесценции, и однородно распределены в сплошной изотропной диэлектрической инертной среде, при этом отношение показателя преломления наночастицы n_cr к показателю преломления инертной среды n_med и объемную долю наночастиц в упомянутой среде устанавливают с учетом заданной величины ( ) по серии калибровочных кривых для различных степеней заполнения среды наночастицами, представленной на фиг.1, где по оси Х отложены отношения показателя преломления наночастицы к показателю преломления среды (n_cr/n_med ) а по оси У отложены отношения радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня в нанокомпозите к его значению в массивном кристалле где - радиационное время жизни верхнего лазерного уровня в нанокомпозите и - радиационное время жизни верхнего лазерного уровня в массивном кристалле.

Предпочтительно, что размер наночастиц диэлектрического или полупроводникового материала составляет 10-300 нм.

Наночастицы диэлектрического или полупроводникового материала преимущественно имеют сферическую форму.

Наночастицы диэлектрического материала, используемые в способе получения лазерного материала, представляют собой неорганические соединения, легированные ионами редкоземельных и/или переходных металлов, выбранные из оксидов, солей кислородсодержащих кислот, сульфидов, селенидов, галогенидов.

Наночастицы диэлектрического или полупроводникового материала могут быть как кристаллическими, так и стеклообразными.

Диэлектрическая среда может быть представлена газом, жидкостью или твердым полимерным, стеклообразным или кристаллическим материалом.

Изобретение в объеме заявленной совокупности признаков обеспечивает увеличение времени жизни метастабильного уровня в лазерных средах, что позволяет увеличить длительность накачки в несколько раз, уменьшить мощность и стоимость источника лазерной накачки, снизить потери при сохранении энергии и мощности выходного излучения.

Например, при n_cr=1,82 (YAG) обеспечивается пятикратный рост времени жизни, что при одинаковой мощности накачки позволяет увеличить накопленную инверсию в лазерном генераторе или усилителе в 5 раз и, как следствие, удешевляет и упрощает лазерную систему.

На фиг.1 представлена серия калибровочных кривых с различными факторами заполнения среды наночастицами, пользуясь которой можно оптимизировать величину для создания максимальной инверсной населенности на верхнем лазерном уровне.

Для построения калибровочных кривых были использованы следующие формулы [К.К.Пухов, Т.Т.Басиев, Ю.В.Орловский. Спонтанное излучение в диэлектрических наночастицах, Письма в ЖЭТФ, № 88 (вып.1), с.14-20 (2008)].

Сравнение расчетов с полученными экспериментальными результатами подтвердило, что характеристики вынужденного излучения наночастиц значительно отличаются от характеристик массивного кристалла. Время распада кинетики люминесценции наночастиц, измеренных в воздухе (n_med 1), определенное на дальней стадии неэкспоненциальной кинетики люминесценции, оказалось равным _fin=577 мкс (фиг.2, кривая 1). Время распада уровня ⁴F_3/2 на дальней стадии кинетики оказалось в 1,7 раз длиннее, чем время распада в массивном кристалле (фиг.2, кривая 3), что качественно согласуется с формулами (1) и (2). Эти же наночастицы были помещены в каплю медицинского вазелина (n_med=1,47), которая помещалась на экспериментальный столик без внешней кюветы, что исключало влияние ее стенок на показатель преломления среды, окружающей наночастицы. Был зарегистрирован неэкспоненциальный временной профиль кинетики затухания люминесценции (фиг.2, кривая 2). Время распада уровня ⁴F_3/2 на дальней стадии кинетики _fin=451 мкс оказалось короче, чем время распада в воздухе, но длиннее, чем в массивном кристалле, что также качественное согласуется с формулами (1) и (2).

Причем, меняя объемную долю наночастиц в среде, подбирая инертные среды с различным показателем преломления, можно управлять свойствами лазерного материала и создавать материалы с улучшенными характеристиками.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

Для увеличения _изл в нанокомпозите примерно в 2,9 раза по сравнению с массивным лазерным кристаллом Y₂O₃: Yb ³⁺ с длиной волны лазерной генерации =0,98 µm брались сферические наночастицы Y₂ O₃: 0,3 mol.% Yb³⁺ диаметром D=100 нм, имеющие показатель преломления n_cr 1,84, распределенные в замкнутом объеме воздуха с показателем преломления n_med 1, излучательное время жизни в которых по отношению ко времени жизни в массивном кристалле соответствуют точке калибровочной кривой на фиг.1, полученной по формулам (1) и (2) для объемной доли наночастиц с=0,4.

Пример 2.

Для увеличения _rad в нанокомпозите примерно в 1,6 раз по сравнению с массивным лазерным кристаллом Y₂O₃: Yb ³⁺ с длиной волны лазерной генерации =0,98 pm брались сферические наночастицы Y₂O ₃: 0,3 mol.% Yb³⁺ диаметром D=100 нм, имеющие показатель преломления n_cr 1,84, распределенные в оптической кювете с этиловым спиртом с показателем преломления n_med 1,36, излучательное время жизни в которых по отношению ко времени жизни в массивном кристалле соответствуют точке калибровочной кривой на фиг.1, полученной по формулам (1) и (2) для объемной доли наночастиц с=0,4.

Пример 3.

Примерно такое же увеличение _изл в нанокомпозите по сравнению с массивным кристаллом, как и в примере 2, получилось для сферических наночастиц Y₂O₃: 0,3 mol.% Yb³⁺ диаметром D=100 нм, имеющих показатель преломления n_cr 1,84, когда они распределены в вазелине с показателем преломления n_med 1,47 с объемной долей наночастиц с=0,1 (фиг.1).