Способ изготовления лазерной среды для активных элементов и пассивных затворов

Способ изготовления лазерной среды для активных элементов и пассивных затворов

Реферат

 

(19)SU(11)1064835(13)A1(51)  МПК ⁶    _H01S3/16(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ

Изобретение относится к области квантовой электроники, к способам изготовления сред для лазерных элементов и может быть использовано при создании активных элементов перестраиваемых по частоте лазеров, а также нелинейных насыщающихся фильтров для пассивной синхронизации мод, модуляции добротности, развязки усилительных каскадов, обращения волнового фронта и аподизации. Известен способ изготовления лазерной среды на основе монокристаллов фторида лития, заключающийся в облучении монокристалла -излучением при температуре от +50 до +100^оС дозой 4 10⁷ Р. Лазерные элементы не могут эффективно работать в качестве нелинейных насыщающихся фильтров для излучения неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм, так как образуется малая концентрация рабочих F₂^-центров окраски и высокий коэффициент остаточного поглощения (К_н). Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления лазерной среды на основе монокристалла фторида лития с F₂^-центрами окраски, включающий облучение его ионизирующим излучением. Недостатком этого способа является также высокий коэффициент остаточного поглощения. Целью настоящего изобретения является увеличение концентрации F₂^-центров окраски. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления лазерной среды для активных элементов и пассивных затворов на основе монокристалла фторида лития с F₂^-центрами окраски, включающем облучение его ионизирующим излучением, монокристалл облучают дозой (0,02-1) 10⁹Р при поддержании темпеpатуры кристалла -25 до +25^оС. Известно, что остаточное поглощение вещества существенно ухудшает параметры лазеров при использовании его в качестве активной среды, фильтров для развязки усилительных каскадов и других элементов. Поясним подробнее вредное влияние остаточного поглощения на примере пассивных затворов. Свойства большинства лазеров с пассивными затворами с хорошей точностью можно описать с помощью решений, полученных для лазера с мгновенным выключением потерь. При этом выражение для удельной энергии моноимпульса E имеет вид: E h ^-1 K_rK_n^-1(K_o K_m), (1) где h энергия кванта лазерного перехода; поперечное сечение для вынужденных переходов в активном теле; К_r коэффициент потерь излучения на пропускание зеркал; К_n коэффициент потерь излучения после открывания затвора; К_о начальный коэффициент усиления в активном теле; К_m коэффициент усиления после высвечивания моноимпульса. Величина К_m вычисляется из уравнения: 1-K_mK^-_o¹= K_nK^-_o¹lnK_{K^-n¹ (2) Нетрудно показать, что выражения (1-2) можно заменить простым выражением, результаты расчета по которому с точностью до 1% совпадают с (1-2) на интервале изменения КоКn^-1 от 1 до 6: E h^-1Kr(0,2-KoK^-n¹-1,2KnK^-1) (3) Применительно к лазерам с пассивными затворами выражение (3) можно преобразовать к виду E h^-1K0,2+ 1,2 (4) где параметр вредных потерь излучения в резонаторе; l длина активного тела; Dа оптическая плотность затвора; Dн/Dа параметр, характеризующийся отношением оптической плотности затвора в просветленном состоянии к начальной плотности Dн. Как следует из анализа выражения (4), увеличение приводит к уменьшению генерируемой энергии. Особенно сильная чувствительность Е от наблюдается при малых + Кr. Оценки показывают, что для успешного применения вещества при изготовлении перечисленных лазерных элементов параметр должен быть 0,15, так как при этом потери излучения за счет остаточного поглощения в кристалле фторида лития будут меньше или сравнимы с потерями в других элементах лазера. В результате исследований установлено, что в процессе облучения кристаллов ионизирующим излучением происходит их сильный радиационный разогрев. При облучении электронами температура кристалла в области взаимодействия с электронами достигает +100 до + 200^оС. При облучении -излучением температура кристалла, в зависимости от мощности -источника, может достигать +30 до +100^оС. Облучение монокристаллов LiF при температуре выше плюс 25^оС приводит к образованию не известных ранее х-центров окраски с максимумом полосы поглощения на длине волны 1,2 мкм и полушириной 0,2 эВ. На фиг. 1 изображен спектр поглощения монокристалла LiF с дозой облучения 10⁸ Р; на фиг. 2 с дозой облучения 0,16 10⁹ Р. На фигуре 1 (кривая 1) изображен спектр поглощения монокристалла фторида лития, облученного дозой до 10⁸ рентген при температуре выше 25^оС. Кроме рабочих F2^-центров окраски при таких условиях облучения наводятся х-центры окраски. Спектр поглощения измерен при температуре жидкого азота. При этой температуре наблюдается сужение полос поглощения F2^- и х-центров и более четкое их разделение. Повышение температуры до плюс 150^оС приводит к значительной скорости роста этой х-полосы. Х-полоса почти полностью находится под полосой люминесценции F2^-центров окраски в LiF (см. кривую 2 на фиг 1) и поэтому, вызывая неактивные потери энергии излучения лазера на F2^-центрах окраски, приводит к снижению его КПД и мощности. Коротковолновый край х-полосы простирается за область основного перехода неодимовых лазеров (длина волны 1,06 мкм), что вызывает потери энергии излучения этих лазеров при использовании монокристаллов LiF с F2^-центрами окраски в качестве активных элементов лазеров. Кроме того, облучение кристалла при повышенных температурах приводит к разрушению рабочих F2^-центров окраски. Поэтому кристалл должен облучаться при температуре не выше плюс 25^оС. Это должно достигаться путем принудительного охлаждения кристалла или уменьшением мощности ионизирующего излучения до величины, исключающей радиационный разогрев выше плюс 25^оС. С другой стороны, кристалл должен облучаться при температуре не ниже минус 25^оС. Это обусловлено тем, что анионные вакансии (Va) в LiF становятся в достаточной степени подвижными при этой температуре. В результате диффузии анионные вакансии объединяются с F-центрами, образуя F2⁺-центры. Далее, в поле ионизирующего излучения следует реакция двухэлектронного захвата F2⁺-центром F⁺2 + 2 __ F^-2 Это значит, что при температурах ниже минус 25^оС не образуются F2^-центры и облучать следует при более высоких температурах. При достижении дозы облучения 10⁹ рентген происходит насыщение в накоплении F2^-центров окраски и дальнейшее облучение приводит к увеличению концент- рации х-центров и уменьшению F2^-центров окраски. С другой стороны, если доза облучения меньше, чем 2 10⁷ рентген, то концентрация F2^-центров окраски будет невелика, так что величина параметра являющегося критерием качества вещества лазерного элемента, будет больше требуемой величины. На фиг. 2 приведен спектр поглощения монокристалла фторида лития, облученного дозой 0,16 10⁹ Р при температуре +15^оС. Из фигуры видно, что при таких условиях облучения х-центры не образуются, а концентрация F2^-центров достигается высокой. Спектр поглощения измерен также при температуре жидкого азота. Следует заметить, что при комнатной температуре поглощение F2^-центров на 1,06 мкм существенно больше, чем при температуре жидкого азота. Пример. Кристаллы LiF размером 20 х 20х х 40 мм помещали в камеру, через которую прокачивали пары жидкого азота. Камеру с кристаллом помещали в установку Со⁶⁰, создающую поток -излучения мощностью 150 Кюри. При облучении в течение 300 ч кристаллы получали дозу 1,62 10⁸рентген. Такая мощность облучения и скорость продувания паров жидкого азота 0,1 л/мин обеспечивали поддержание температуры кристалла постоянной. Аналогичные образцы LiF облучали по базовому способу без поддержания температуры. Проведены испытания лазерных сред, изготовленных по базовой и предложенной методике. Общее количество кристаллов, на которых проводились испытания, было 7 штук. При испытании определялись коэффициенты остаточного Кн и начального Да поглощения на длине волны 1,06 мкм. Методика измерений остаточного поглощения основана на определении пропускания образцов при просвечивании их излучением моноимпульсного лазера на гранате. Коэффициент начального поглощения измерялся с помощью спектрофотометра. В таблице приведены параметры кристаллов, изготовленных по базовой и предложенной методике. Как было указано выше, практическим критерием качества среды для лазерных элементов является величина параметра характеризующего остаточное поглощение. Из таблицы видно, что параметр для сред, изготовленных предложенным способом, по крайней мере в 1,5 раза меньше, чем базовым. Использование предложенного способа изготовления лазерных сред для активных элементов и пассивных затворов обеспечивает по сравнению с существующими способами возможность создания более высоких концентраций рабочих F2^-центров окраски в лазерном элементе, а следовательно, уменьшение его габаритов с малыми значениями коэффициента остаточных потерь. Применение лазерных элементов, изготовленных из среды по предложенному способу, обеспечивает высокую энергетику излучения неодимовых лазеров и лазеров на F2^-центрах окраски.}

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ на основе монокристалла фторида лития с F^-₂ центрами окраски, включающий облучение его ионизирующим излучением, отличающийся тем, что, с целью увеличения концентраций F^-₂ центров окраски, монокристалл облучают дозой (0,02 1) 10⁹. Рентген при поддержании температуры кристалла -25 +25^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3