RU2707388C1 - Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers - Google Patents

Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers Download PDF

Info

Publication number
RU2707388C1
RU2707388C1 RU2018144277A RU2018144277A RU2707388C1 RU 2707388 C1 RU2707388 C1 RU 2707388C1 RU 2018144277 A RU2018144277 A RU 2018144277A RU 2018144277 A RU2018144277 A RU 2018144277A RU 2707388 C1 RU2707388 C1 RU 2707388C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
caf
ions
crystalline material
laser
lasers
Prior art date
Application number
RU2018144277A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентин Александрович Юсим
Владимир Васильевич Рябченков
Степан Эрвандович Саркисов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2018144277A priority Critical patent/RU2707388C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2707388C1 publication Critical patent/RU2707388C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/163Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/1645Solid materials characterised by a crystal matrix halide

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to crystals intended for use in solid-state lasers, namely in CPA-lasers (chirp pulse amplification lasers) – short-pulse lasers with high peak power. Crystalline material based on fluorite-like systems for CPA-lasers consists of fluorite-type isostructural analogues, in which as isostructural analogues of fluorite type there are used substances selected from group CaF2, YF3, YbF3 and NdF3.
EFFECT: higher efficiency of laser system and reduced probability of occurrence of "thermal lens".
5 cl, 1 tbl, 8 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к кристаллам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, а именно в CPA-лазерах (от английских слов "chirp pulse amplification") - короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. В частности, изобретение относится к способу увеличения ширины полосы излучения редкоземельных ионов, используемых в качестве генерирующих ионов в активных средах твердотельных лазеров на кристаллах, особенно в составах кристаллов фторидов с флюоритоподобной кубической структурой.The invention relates to crystals intended for use in solid-state lasers, namely CPA-lasers (from the English words "chirp pulse amplification") - short-pulse lasers with high peak power. In particular, the invention relates to a method for increasing the emission bandwidth of rare-earth ions used as generating ions in active media of solid-state crystal lasers, especially in fluoride crystal compositions with a fluorite-like cubic structure.

Уровень техникиState of the art

Одной из важнейших задач лазерной физики является разработка высокоэнергетических лазерных установок способных генерировать лазерные импульсы нано-, пико- и фемтосекундного диапазона. На кристаллических активных средах в качестве задающих генераторов, например, YAG-Nd, YLF-Nd и силикатных или фосфатных лазерных стеклах с неодимом в качестве усилителей, созданы мощные лазерные системы для технологических целей, а также использования в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Выходная мощность современных петаваттных лазерных систем сверхкоротких импульсов, созданных на фосфатном стекле с неодимом для программы УТС (проект NIF, США), достигает 1015 Вт в импульсном режиме при длительности импульса до 100 фс.One of the most important tasks of laser physics is the development of high-energy laser systems capable of generating laser pulses of the nano, pico, and femtosecond ranges. On crystalline active media as master oscillators, for example, YAG-Nd, YLF-Nd and silicate or phosphate laser glasses with neodymium as amplifiers, powerful laser systems have been created for technological purposes, as well as for use in experiments on controlled thermonuclear fusion (TCF) . The output power of modern petawatt laser systems of ultrashort pulses created on phosphate glass with neodymium for the TCF program (NIF project, USA) reaches 10 15 W in a pulsed mode with a pulse duration of up to 100 fs.

Использование кристаллического материала на основе флюоритоподобных систем благодаря своим спектрально-оптическим и физическим (тепловым) свойствам представляют интерес в прикладном аспекте, например, для создания CPA-лазеров (от английских слов "chirp pulse amplification") - лазеров, генерирующих мощные фемтосекундные световые пучки (D. Stricklend, G. Mouron. Optic Communications. V. 56, p. 219-221, 1985 и Mourou G., Tajima Т., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V. 78. P. 309-371).The use of crystalline material based on fluorite-like systems due to their spectral-optical and physical (thermal) properties is of interest in the applied aspect, for example, for creating CPA lasers (from the English words "chirp pulse amplification") - lasers generating powerful femtosecond light beams ( D. Stricklend, G. Mouron. Optic Communications. V. 56, p. 219-221, 1985 and Mourou G., Tajima T., Bulanov SV // Review of Modern Physics. 2006. V. 78. P. 309- 371).

CPA-лазер состоит из четырех блоков: генератор, растяжитель, усилитель и компрессор. Принцип работы CPA-лазера описан в (Л.М. Горбунов. Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы // Природа 2007, №4). Слабый (~10-6 Дж) лазерный импульс фемтосекундного диапазона из генератора поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (так называемый чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения.A CPA laser consists of four blocks: a generator, a stretcher, an amplifier and a compressor. The principle of operation of a CPA laser is described in (L.M. Gorbunov. Why superpower laser pulses are needed // Nature 2007, No. 4). A weak (~ 10 -6 J) femtosecond laser pulse from the generator enters the stretcher, where its length increases thousands of times, and the radiation frequency smoothly varies along the pulse length (the so-called chirped pulse). Then the pulse passes through the amplifier, increasing its energy by many orders of magnitude. From the amplifier, the pulse enters the compressor, where its duration decreases to the initial value.

Известен квантовый усилитель (патент на изобретение РФ №2411621), где в качестве оптического усилителя предложено использовать оптические усилители на неодимовых стеклах и оксидном кристалле сапфира с титаном.A known quantum amplifier (patent for the invention of the Russian Federation No. 2411621), where as an optical amplifier it is proposed to use optical amplifiers on neodymium glasses and an oxide crystal of sapphire with titanium.

Наиболее существенный недостаток неодимового стекла - низкая теплопроводность, приводящая к термооптическим возмущениям и термическому разрушению активного элемента. Значительная часть энергии излучения накачки выделяется внутри активного элемента в виде тепла, что приводит к его нагреву, как правило - неравномерному. С этим нагревом связаны оптические искажения, являющиеся одним из основных источников аберраций усилительных каскадов. Кроме того, механические напряжения и деформации, появляющиеся под действием неоднородного температурного поля, приводят к разрушению активного элемента В связи с низкими термооптическими характеристиками неодимовое стекло не используется в мощных лазерных системах с энергией импульсов от несколько сотен джоулей с большими частотами повторения более 1 импульса в час. Одним из способов решения этой задачи является поиск новых материалов для лазерных усилителей, лишенных недостатков, присущих лазерным стеклам. Данные исследований показывают, что величины теплопроводности кристаллических сред значительно выше, чем у стекол. Кроме того, в состав стекла входит железо и под действием УФ излучения происходит восстановление 3-х валентного железа в двухвалентное, которое поглощает на длине волны 1,06 мкм, т.е. в диапазоне рабочей длины волны неодимового лазера. В результате происходит снижение генерационных характеристик («старение» материала).The most significant drawback of neodymium glass is its low thermal conductivity, leading to thermo-optical disturbances and thermal destruction of the active element. A significant part of the energy of the pump radiation is released inside the active element in the form of heat, which leads to its heating, as a rule - uneven. This heating is associated with optical distortions, which are one of the main sources of aberration of amplification stages. In addition, mechanical stresses and deformations that appear under the influence of an inhomogeneous temperature field lead to the destruction of the active element. Due to the low thermo-optical characteristics, neodymium glass is not used in high-power laser systems with pulse energies from several hundred joules with high repetition rates of more than 1 pulse per hour. . One way to solve this problem is to search for new materials for laser amplifiers, devoid of the disadvantages inherent in laser glasses. Research data show that the thermal conductivity of crystalline media is significantly higher than that of glasses. In addition, iron is part of the glass and, under the influence of UV radiation, 3-valent iron is reduced to divalent iron, which absorbs at a wavelength of 1.06 μm, i.e. in the range of the working wavelength of a neodymium laser. As a result, the generation characteristics decrease (“aging” of the material).

Немаловажную роль играют значения нелинейных показателей преломления n2, от величины которых зависит характер эволюции лазерного пучка, проходящего через активную среду усилителя. Чем меньше величина этого параметра, тем меньше вероятность расфокусировки лазерного луча в результате образования «наведенной тепловой линзы», фокусное расстояние которой определяется величиной n2 и мощностью излучения. Исследования показывают, что показатель n2 у стекол до 4-ех раз выше, чем у кристаллов фторидов.An important role is played by the values of nonlinear refractive indices n 2 , the magnitude of which determines the evolution of the laser beam passing through the active medium of the amplifier. The smaller the value of this parameter, the less is the probability of a defocusing of the laser beam as a result of the formation of a “induced thermal lens", the focal length of which is determined by the value of n 2 and the radiation power. Studies show that the n 2 index for glasses is up to 4 times higher than for fluoride crystals.

Известен патент на изобретение РФ №2403661, где в качестве лазерного усилителя предложено использование кристалла Ti:Al2O3 (Ti:сапфир).A patent for the invention of the Russian Federation No. 2403661 is known, where the use of a Ti: Al 2 O 3 (Ti: sapphire) crystal is proposed as a laser amplifier.

Использованию как неодимовых стекол, так и кристаллов Ti:Al2O3 (Ti:сапфир) посвящен патент на изобретение РФ №2629499.The use of both neodymium glasses and Ti: Al 2 O 3 crystals (Ti: sapphire) is the subject of RF patent No. 2629499.

Титан - сапфировые кристаллы имеют широкую полосу излучения, а также большие поперечные сечения излучения лазерного перехода. Эти свойства в комбинации с характерными термическими, физическими и оптическими свойствами кристалла сапфира удовлетворяют требованиям выбора этого материала в качестве перспективного для активных элементов твердотельных ультракороткоимпульсных лазеров. Однако короткое время Titanium - sapphire crystals have a wide emission band, as well as large cross sections for laser transition radiation. These properties, in combination with the characteristic thermal, physical, and optical properties of a sapphire crystal, satisfy the requirements for choosing this material as promising for active elements of solid-state ultrashort pulse lasers. Short time however

жизни начального уровня люминесцентного состояния вызывает необходимость в накачке Ti:сапфирового лазера другими лазерами. Активированные титаном сапфировые короткоимпульсные лазеры, как правило, накачивается лазерами с длиной волны от 514 до 532 нм, например, аргоно-ионным лазером (514,5 нм) или второй гармоникой Nd:YAG, Nd:YLF, и Nd:YVO (527-532 нм), либо Nd-стеклянных лазеров, которые, в свою очередь, накачиваются импульсными лампами. Этот тип лазеров используется в основном в лабораторных экспериментах, поскольку требует стабильного и мощного лазера накачки.The lifetime of the initial level of the luminescent state necessitates the pumping of a Ti: sapphire laser by other lasers. Titanium-activated sapphire short-pulse lasers are usually pumped by lasers with a wavelength of 514 to 532 nm, for example, an argon-ion laser (514.5 nm) or a second harmonic Nd: YAG, Nd: YLF, and Nd: YVO (527- 532 nm), or Nd-glass lasers, which, in turn, are pumped by flash lamps. This type of laser is used mainly in laboratory experiments, since it requires a stable and powerful pump laser.

Технической проблемой, решаемой изобретением является использование в качестве активных сред задающего генератора и квантового усилителя мощных короткоимпульсных фемтосекундного диапазона лазерных систем кристаллического материала одного химического класса и структурного типа - простых и разупорядоченных соединений фторидов со структурой флюорита.The technical problem solved by the invention is the use of powerful short-pulse femtosecond laser systems of crystalline material of the same chemical class and structural type — simple and disordered fluoride compounds with fluorite structure as active media of the master oscillator and quantum amplifier.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы лазерной системы и уменьшение вероятности образования «тепловой линзы» в ней.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the laser system and reduce the likelihood of the formation of a "thermal lens" in it.

Для достижения технического результата предложен кристаллический материал на основе флюоритоподобных систем для CPA-лазеров, состоящий из изоструктурных аналогов флюоритового типа, в котором в качестве изоструктурных аналогов флюоритового типа используются вещества, выбранные из группы CaF2, YF3, YbF3 и NdF3.To achieve a technical result, a crystalline material based on fluorite-like systems for CPA lasers is proposed, consisting of fluorite-type isostructural analogs, in which substances selected from the CaF 2 , YF 3 , YbF 3, and NdF 3 groups are used.

Кроме того, кристаллический материал задающего генератора фемтосекундных импульсов CPA-лазера состоит из фторида кальция, активированного трехвалентными ионами иттербия CaF2:Yb3+, причем концентрация ионов иттербия в кристалле составляет от 3% до 6%.In addition, the crystalline material of the master oscillator of the femtosecond pulses of a CPA laser consists of calcium fluoride activated by trivalent ytterbium ions CaF 2 : Yb 3+ , and the concentration of ytterbium ions in the crystal is from 3% to 6%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия CaF2-YF3:Yb3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 2% до 7%, а концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%.In addition, the crystalline material of the optical laser pulse amplifier of the CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent ytterbium ions CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ , the yttrium fluoride concentration being from 2% to 7%, and the concentration ytterbium ions ranges from 2% to 5%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного неодима CaF2-YF3:Nd3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 1% до 4%, а концентрация ионов неодима составляет от 1,5% до 3%.In addition, the crystalline material of the optical laser pulse amplifier of the CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent neodymium ions CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ , the yttrium fluoride concentration being from 1% to 4%, and the concentration neodymium ions ranges from 1.5% to 3%.

Кроме того, кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов CPA-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия и дополнительно в качестве содопанта активирован ионами трехвалентного неодима CaF2-YF3:Yb3++Nd3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 3% до 8%, концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%, а концентрация ионов неодима составляет от 1% до 3%.In addition, the crystalline material of the optical laser pulse amplifier of the CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent ytterbium ions and additionally activated as trivalent neodymium ions CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ + Nd 3+ , moreover the concentration of yttrium fluoride is from 3% to 8%, the concentration of ytterbium ions is from 2% to 5%, and the concentration of neodymium ions is from 1% to 3%.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 показана зависимость длительности лазерного импульса от спектральной полуширины.In FIG. Figure 1 shows the dependence of the laser pulse duration on the spectral half-width.

На фиг. 2 показан спектр люминесценции Nd в фосфатном стекле (Δν~22,5 нм).In FIG. Figure 2 shows the luminescence spectrum of Nd in phosphate glass (Δν ~ 22.5 nm).

На фиг. 3 показан спектр поглощения и люминесценции (штриховая линия) Yb в силикатном стекле (Δν~55 нм).In FIG. Figure 3 shows the absorption and luminescence spectrum (dashed line) of Yb in silicate glass (Δν ~ 55 nm).

На фиг. 4 показаны спектры люминесценции ионов Yb3+ в кристаллах CaF2 и CaF2-YbF3.In FIG. Figure 4 shows the luminescence spectra of Yb 3+ ions in CaF 2 and CaF 2 -YbF 3 crystals.

На фиг. 5 показаны спектры люминесценции ионов Nd3+ в кристаллах CaF2 (A), CaF2-YF3 (В) и стекле КГСС-7 (С).In FIG. Figure 5 shows the luminescence spectra of Nd 3+ ions in CaF 2 (A), CaF 2 -YF 3 (B) crystals and KGSS-7 (C) glass.

На фиг. 6 показаны спектры люминесценции концентрационной серии ионов Yb3+ в кристаллах CaF2 при 77К: а - 0,3; b - 1,0 и с - 10 вес. %.In FIG. Figure 6 shows the luminescence spectra of the concentration series of Yb 3+ ions in CaF 2 crystals at 77K: a — 0.3; b - 1.0 and s - 10 weight. %

На фиг. 7 показан фрагмент комбинированного спектра люминесценции ионов Yb3+ и Nd3+ в разупорядоченном кристалле CaF2-YF3.In FIG. 7 shows a fragment of the combined luminescence spectrum of Yb 3+ and Nd 3+ ions in a disordered CaF 2 -YF 3 crystal.

На фиг. 8 показана принципиальная схема работы CPA-лазера.In FIG. 8 is a schematic diagram of the operation of a CPA laser.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Кристаллический материал, легированный иттербием, обладает самой высокой квантовой эффективностью (>90%) среди коммерческих продуктов для лазеров. Кристаллы CaF2:Yb3+ обладают более широким спектром излучения по сравнению с YAG:Yb. Это свойство наиболее важно для генерации и усиления сверхкоротких импульсов. Кристалл-матрица CaF2 обладает более высокой теплопроводностью и меньшим значением показателя n2, чем стекло, что делает эффект появления «тепловой линзы» очень малым. Эти кристаллы также можно легировать ионами иттербия до высоких концентраций.Ytterbium-doped crystalline material has the highest quantum efficiency (> 90%) among commercial laser products. CaF 2 : Yb 3+ crystals have a wider emission spectrum than YAG: Yb. This property is most important for the generation and amplification of ultrashort pulses. The CaF 2 crystal matrix has a higher thermal conductivity and a lower n 2 value than glass, which makes the effect of the appearance of a “thermal lens” very small. These crystals can also be doped with ytterbium ions to high concentrations.

При решении задачи создания мощных технологических лазерных систем, генерирующих сверхкороткие световые импульсы, особую перспективность представляют кристаллы настоящего изобретения, активированные ионами иттербия такие, как простые с упорядоченной структурой CaF2:Yb3+ в качестве задающего генератора и смешанные с разупорядоченной структурой CaF2-YF3:Yb3+ в качестве усилителей. В отличие от неодимовых лазерных сред на кристаллах и стеклах, иттербиевые среды независимо от структурной упорядоченности кристаллической матрицы превосходят последние по ширинам линий излучения и лучше подходят для создания сверхкоротких импульсов. В качестве примера упорядоченных кристаллических сред с однородным уширением спектральных линий, в Таблице 1 приводятся спектрально-лазерные характеристики кристаллов иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Nd3+ и Yb3+ (A.A. Каминский, С.Э. Саркисов. «Физика и спектроскопия лазерных кристаллов / М., Наука, 1986, с. 282). Ширины линий Yb3+ до 10 раз превышают аналогичное значение для Nd3+.When solving the problem of creating powerful technological laser systems generating ultrashort light pulses, crystals of the present invention activated by ytterbium ions, such as simple ones with an ordered structure CaF 2 : Yb 3+ as a master oscillator and mixed with a disordered structure CaF 2 -YF, are of particular promise. 3 : Yb 3+ as amplifiers. In contrast to neodymium laser media on crystals and glasses, ytterbium media, irrespective of the structural ordering of the crystal matrix, exceed the latter in radiation line widths and are better suited for creating ultrashort pulses. As an example of ordered crystalline media with uniform broadening of the spectral lines, Table 1 shows the spectral-laser characteristics of yttrium-aluminum garnet crystals with an admixture of Nd 3+ and Yb 3+ ions (AA Kaminsky, S.E. Sarkisov. “Physics and spectroscopy of laser crystals / M., Nauka, 1986, p. 282). The widths of the Yb 3+ lines are up to 10 times higher than the same value for Nd 3+ .

Figure 00000001
Figure 00000001

Для случая сред с неоднородным уширением спектральных полос, на фиг. 2 и 3 показаны спектры люминесценции ионов Nd3+ в фосфатном стекле и ионов Yb3+ с максимумом на 1035 нм в силикатном стекле. Анализ спектров показывает, что ширина полосы излучения Yb3+ на фиг. 3 до 2-х раз больше, чем у Nd3+ (фиг. 2).For media with inhomogeneous broadening of spectral bands, in FIG. Figures 2 and 3 show the luminescence spectra of Nd 3+ ions in phosphate glass and Yb 3+ ions with a maximum at 1035 nm in silicate glass. Analysis of the spectra shows that the emission bandwidth of Yb 3+ in FIG. 3 to 2 times more than Nd 3+ (Fig. 2).

На фиг. 4 приведены спектры люминесценции простого с упорядоченной структурой кристалла CaF2:ат.3% Yb3+ (кривая А) и ат.3%Yb3+ в разупорядоченных кристаллах твердых растворов CaF2-YF3 с концентрацией YF3=ат.3% (кривая В) и YF3=ат.6% (кривая С). Влияние разупорядочения кристаллической структуры на неоднородность уширения спектральных линий показано на фиг. 5, где представлены спектры люминесценции ионов Nd3+ на основном лазерном переходе 4F3/24I11/2 при 300К в простом кристалле CaF2 (а), кристаллическом твердом растворе CaF2-YF3 (b) и лазерном неодимовом стекле марки КГСС-7 (с). Неоднородно уширенная полоса люминесценции смешанного кристалла иттрофлюорита CaF2-YF3:Nd3+ равна ~35 нм, а у стекла меньше ~25 нм.In FIG. Figure 4 shows the luminescence spectra of a simple CaF 2 crystal with an ordered structure: at. 3% Yb 3+ (curve A) and at. 3% Yb 3+ in disordered crystals of CaF 2 -YF 3 solid solutions with a concentration of YF 3 = at. 3% (curve B) and YF 3 = at.6% (curve C). The effect of disordering of the crystal structure on the inhomogeneity of the broadening of spectral lines is shown in FIG. 5, which shows the luminescence spectra of Nd 3+ ions on the main 4 F 3/24 I 11/2 laser transition at 300 K in a simple CaF 2 crystal (a), crystalline CaF 2 -YF 3 (b) solid solution and neodymium laser KGSS-7 brand glass (s). The inhomogeneously broadened luminescence band of the mixed crystal of yttrofluorite CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ is equal to ~ 35 nm, and for glass it is less than ~ 25 nm.

Кристаллические твердые растворы CaF2-YF3:Yb3+ также имеют более широкие полосы излучения и поглощения (обеспечивает более эффективную оптическую накачку) и большие значения τлюм по сравнению с простыми упорядоченными кристаллами CaF2:Yb3+. Спектры кристаллов флюорита, активированные редкоземельными ионами, и в частности, ионами Yb3+ характеризуются наличием оптических центров, состав и относительное число которых меняются в зависимости от концентрации ионов активатора. При малых концентрациях редкоземельной примеси образуется небольшое количество центров, значительно отличающихся по структуре, так что возникает большая разница в их оптических свойствах. С увеличением концентрации растет количество центров, имеющих отличающиеся структуры, но разница между структурами значительно уменьшается. В результате при высоких концентрациях ионов активатора линии поглощения и люминесценции различных редкоземельных центров группируются около энергетических уровней, которые определяются средними значениями кристаллического поля, действующего на примесные ионы. Структуры оптических спектров от концентрации более не меняются и число штарковских компонент соответствуют возможному максимуму для данного среднего значения кристаллического поля. В качестве иллюстрации к сказанному, на фиг. 6 показаны спектры люминесценции на переходе 4F5/24F7/2 при 77К концентрационной серии кристаллов CaF2 с ионами Yb3+: a-0,3%Yb; b-1,0%Yb; c-10%Yb. Видно, что в отличии от концентрации 0,3%, при 10% Yb3+ спектральные полосы утрачивают разрешение на отдельные штарковские компоненты.Crystalline CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ solid solutions also have wider emission and absorption bands (provides more efficient optical pumping) and higher τ lum values compared to simple ordered CaF 2 : Yb 3+ crystals. The spectra of fluorite crystals activated by rare-earth ions, and in particular, Yb 3+ ions, are characterized by the presence of optical centers, the composition and relative number of which vary depending on the concentration of activator ions. At low concentrations of rare-earth impurities, a small number of centers are formed that differ significantly in structure, so that a large difference arises in their optical properties. With increasing concentration, the number of centers with differing structures increases, but the difference between the structures decreases significantly. As a result, at high concentrations of activator ions, the absorption and luminescence lines of various rare earth centers are grouped around energy levels, which are determined by the average values of the crystal field acting on impurity ions. The structures of the optical spectra do not change with concentration anymore and the number of Stark components corresponds to a possible maximum for a given average value of the crystal field. By way of illustration, FIG. Figure 6 shows the luminescence spectra at the 4 F 5/24 F 7/2 transition at 77K of a concentration series of CaF 2 crystals with Yb 3+ ions: a-0.3% Yb; b-1.0% Yb; c-10% Yb. It can be seen that, in contrast to the concentration of 0.3%, at 10% Yb 3+, the spectral bands lose resolution for individual Stark components.

Добавление YF3 в состав простого кристалла CaF2:Yb3+ вносит разупорядочение в кристаллическую решетку последнего, модифицирует локальное кристаллическое поле вокруг ионов Yb3+ таким образом, что с увеличением их концентрации вероятность образования центров тушения люминесценции ионов Yb3+ резко падает по сравнению с простыми упорядоченными кристаллами структурных аналогов. Последнее важно для получения эффективных мощностных выходных лазерных параметров. Поэтому разупорядоченные кристаллы твердых растворов CaF2-YF3:Yb3+ являются более перспективными по сравнению с CaF2:Yb3+ в качестве материала оптического усилителя. Кристаллы CaF2:Yb3+ обладают всеми необходимыми свойствами и спектроскопическими параметрами для использования в качестве задающего короткоимпульсного лазерного генератора в системах с усилителями на кристаллах CaF2-YF3:Yb3+ и CaF2-YF3:Nd3+.The addition of YF 3 to the composition of a simple CaF 2 : Yb 3+ crystal introduces disorder in the crystal lattice of the latter, modifies the local crystal field around the Yb 3+ ions in such a way that, with an increase in their concentration, the probability of the formation of luminescence quenching centers of Yb 3+ ions decreases sharply compared to with simple ordered crystals of structural analogues. The latter is important for obtaining effective power output laser parameters. Therefore, disordered crystals of CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ solid solutions are more promising in comparison with CaF 2 : Yb 3+ as an optical amplifier material. CaF 2 : Yb 3+ crystals have all the necessary properties and spectroscopic parameters for use as a short-pulse laser oscillator in systems with amplifiers based on CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ and CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ crystals.

Активные элементы усилителей на основе разупорядоченных кристаллов со структурой флюорита CaF2-YF3:Yb3+ и CaF2-YF3:Nd3+ больших объемов и апертур смогут обеспечить высокий уровень запасенной энергии, позволят работать при интенсивности лазерного излучения ниже порога оптического пробоя вплоть до энергий петаваттного уровня в импульсах фемтосекундной длительности. Возможность получения фемтосекундных импульсов была продемонстрирована в (Z.P. Qin, G.Q. Xie, J. Ma, W.Y. Ge, P. Yuan, L.J. Qian, L.B. Su, D.P. Jiang, F.K. Ma, Q. Zhang, Y.X. Cao, J. Xu Opt. Lett., 39 (2014), p. 1737) для лазера на кристалле CaYF5:Nd с длительностью импульса 103 фс при работе в режиме пассивной синхронизации мод. Этот результат доказывает, что разупорядоченные кристаллы со структурой флюорита являются отличными матрицами для создания короткоимпульсных мощных лазерных систем. Основной вопрос связан с возможностью получения крупных монокристаллов иттрофлюорита с оптимальным содержанием компонент YF3, YbF3 и NdF3, которые должны обеспечить для усилительных элементов достаточно высокие значения теплопроводности, усилительных характеристик и уровня запасенной энергии. Наиболее перспективными для указанных целей могут стать кристаллы CaYF5:Nd3+, синтезируемые в системе твердого раствора состава CaF2 - 1,5-2% YF3 - 2-3% NdF3 и CaYF5:Yb3+ в системе CaF2-3-6%YF3-2-5%YbF3. Это позволит сохранить у усилительного элемента величину теплопроводности более 6 раз выше и до 4 раз ниже по n2, чем у фосфатного неодимового стекла и при этом создать активную среду с не уступающими спектрально-лазерными характеристиками. Мощные лазерные системы с усилителями на разупорядоченных кристаллах иттрофлюорита с неодимом и иттербием могут работать, используя в качестве задающих генераторов кристаллы CaF2:Yb3+ или YLF:Nd, который используется в лазерных системах с усилителями на фосфатных стеклах.The active elements of amplifiers based on disordered crystals with the fluorite structure CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ and CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ with large volumes and apertures can provide a high level of stored energy and will allow working at laser radiation intensity below the optical breakdown threshold up to the energies of the petawatt level in pulses of a femtosecond duration. The possibility of obtaining femtosecond pulses was demonstrated in (ZP Qin, GQ Xie, J. Ma, WY Ge, P. Yuan, LJ Qian, LB Su, DP Jiang, FK Ma, Q. Zhang, YX Cao, J. Xu Opt. Lett ., 39 (2014), p. 1737) for a CaYF 5 : Nd crystal laser with a pulse duration of 103 fs when operating in the mode of passive synchronization. This result proves that disordered crystals with fluorite structure are excellent matrices for creating short-pulse high-power laser systems. The main question is related to the possibility of producing large single crystals of yttrofluorite with an optimal content of YF 3 , YbF 3, and NdF 3 components, which should provide sufficiently high values of thermal conductivity, amplification characteristics, and stored energy for amplifying elements. The most promising for these purposes may be CaYF 5 : Nd 3+ crystals synthesized in the solid solution system with the composition CaF 2 - 1.5-2% YF 3 - 2-3% NdF 3 and CaYF 5 : Yb 3+ in the CaF 2 system -3-6% YF 3 -2-5% YbF 3 . This will allow the thermal element to retain the value of thermal conductivity more than 6 times higher and up to 4 times lower in n 2 than for phosphate neodymium glass and at the same time create an active medium with non-inferior spectral-laser characteristics. High-power laser systems with amplifiers based on disordered yttrofluorite crystals with neodymium and ytterbium can operate using CaF 2 : Yb 3+ or YLF: Nd crystals, which are used in laser systems with phosphate glass amplifiers, as master oscillators.

Предшествующие попытки расширения полос излучения в комбинированных мощных неодимовых лазерных системах с использованием задающего генератора на кристалле и усилителя на стекле были сфокусированы на модифицировании структуры исходного стекла. Настоящее изобретение базируется на использовании в активных усилительных средах редкоземельных активирующих добавок, взаимодействия между которыми в результате механизмов передачи энергии влияют на ширину полосы излучения. В соответствии с данным изобретением, исходное фторсодержащее кристаллическое вещество лазерного усилителя CaF2-YF3 активируется редкоземельными соединениями, в типичном случае NdF3 в комбинации с YbF3. Получаемые в результате полосы излучения оказываются намного более широкими, чем достигаемые в настоящее время с единственной активирующей добавкой в исходном простом или разупорядоченном кристаллах. На фиг. 7 показан фрагмент комбинированного спектра люминесценции (Yb+Nd) разупорядоченного кристалла твердого раствора состава CaF2-5%YF3-4%YbF3-2%NdF3 при 300К с эффективной шириной полосы излучения ~ до 80 нм.Previous attempts to expand the emission bands in combined high-power neodymium laser systems using a master oscillator on a chip and an amplifier on glass have focused on modifying the structure of the original glass. The present invention is based on the use of rare-earth activating additives in active amplification media, the interactions between which as a result of energy transfer mechanisms affect the radiation bandwidth. In accordance with this invention, the initial fluorine-containing crystalline substance of the CaF 2 -YF 3 laser amplifier is activated by rare-earth compounds, typically NdF 3 in combination with YbF 3 . The resulting emission bands turn out to be much wider than those currently achieved with a single activating additive in the initial simple or disordered crystals. In FIG. Figure 7 shows a fragment of the combined luminescence spectrum (Yb + Nd) of a disordered crystal of a solid solution of the composition CaF 2 -5% YF 3 -4% YbF 3 -2% NdF 3 at 300 K with an effective emission bandwidth of ~ 80 nm.

Таким образом, использование фторидных кристаллов таких как CaF2:Yb3+ в качестве задающего генератора и CaF2-YF3:Yb3+, CaF2-YF3:Nd3+ или CaF2-YF3:Nd3++Yb3+ в качестве усилителей, позволяет принимать намного более простые конструктивные решения для лазеров, поскольку эти лазерные кристаллы могут напрямую накачиваться импульсными лампами. В отличие от лазеров, применяющих кристаллы Ti:сапфир, технология с кристаллами Yb:фторидов не требует дополнительного использования лазеров для накачки. Благодаря большим величинам люминесцентного времени жизни метастабильных уровней и полуширинам полос поглощения и излучения фториды с иттербием смогут обеспечить высокий уровень запасенной энергии и представляют интерес в прикладном плане по генерации сверхмощных оптических импульсов.Thus, the use of fluoride crystals such as CaF 2 : Yb 3+ as a master oscillator and CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ , CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ or CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ + Yb 3+ as amplifiers, allows for much simpler design decisions for lasers, since these laser crystals can be directly pumped by flash tubes. Unlike lasers using Ti: sapphire crystals, the technology with Yb: fluoride crystals does not require additional use of lasers for pumping. Due to the large values of the luminescent lifetime of the metastable levels and the half-widths of the absorption and emission bands, fluorides with ytterbium can provide a high level of stored energy and are of practical interest in the generation of superpower optical pulses.

Кроме того, использование кристаллических материалов на основе флюоритоподобных систем обладающих улучшенными теплофизическими и механическими характеристиками за счет широких неоднородно уширенных спектров поглощения и люминесценции в CPA-лазерах, дает ряд преимуществ по сравнению с монокристаллами с регулярной кристаллической решеткой, а именно:In addition, the use of crystalline materials based on fluorite-like systems with improved thermophysical and mechanical characteristics due to wide nonuniformly broadened absorption and luminescence spectra in CPA lasers gives a number of advantages compared to single crystals with a regular crystal lattice, namely:

дает возможность перестройки частоты генерации в пределах неоднородно уширенной линии, ширина которой может достигать десятков нанометров;makes it possible to tune the generation frequency within an inhomogeneously broadened line, the width of which can reach tens of nanometers;

дает возможность получения ультракоротких импульсов.makes it possible to obtain ultrashort pulses.

Claims (5)

1. Кристаллический материал на основе флюоритоподобных систем для CPA-лазеров, состоящий из изоструктурных аналогов флюоритового типа, в котором в качестве изоструктурных аналогов флюоритового типа используются вещества, выбранные из группы CaF2, YF3, YbF3 и NdF3.1. A crystalline material based on fluorite-like systems for CPA lasers, consisting of isostructural analogues of the fluorite type, in which substances selected from the group CaF 2 , YF 3 , YbF 3 and NdF 3 are used as isostructural analogues of the fluorite type. 2. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал задающего генератора фемтосекундных импульсов CPA-лазера состоит из фторида кальция, активированного трехвалентными ионами иттербия CaF2:Yb3+, причем концентрация ионов иттербия в кристалле составляет от 3% до 6%.2. The crystalline material according to claim 1, characterized in that the crystalline material of the master oscillator of the femtosecond pulses of the CPA laser consists of calcium fluoride activated by trivalent ions of ytterbium CaF 2 : Yb 3+ , and the concentration of ytterbium ions in the crystal is from 3% to 6 % 3. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия CaF2-YF3:Yb3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 2% до 7%, а концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%.3. The crystalline material according to claim 1, characterized in that the crystalline material of the optical laser pulse amplifier CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent ytterbium ions CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ , and the concentration of yttrium fluoride is from 2% to 7%, and the concentration of ytterbium ions is from 2% to 5%. 4. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного неодима CaF2-YF3:Nd3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 1% до 4%, а концентрация ионов неодима составляет от 1,5% до 3%.4. The crystalline material according to claim 1, characterized in that the crystalline material of the optical laser pulse amplifier CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent neodymium ions CaF 2 -YF 3 : Nd 3+ , and the concentration of yttrium fluoride ranges from 1% to 4%, and the concentration of neodymium ions is from 1.5% to 3%. 5. Кристаллический материал по п. 1, отличающийся тем, что кристаллический материал оптического усилителя лазерных импульсов СРА-лазера представляет собой твердый раствор фторида кальция и фторида иттрия, активированный ионами трехвалентного иттербия и дополнительно в качестве содопанта активирован ионами трехвалентного неодима CaF2-YF3:Yb3++Nd3+, причем концентрация фторида иттрия составляет от 3% до 8%, концентрация ионов иттербия составляет от 2% до 5%, а концентрация ионов неодима составляет от 1% до 3%.5. The crystalline material according to claim 1, characterized in that the crystalline material of the optical laser pulse amplifier CPA laser is a solid solution of calcium fluoride and yttrium fluoride activated by trivalent ytterbium ions and additionally activated as trivalent neodymium ions CaF 2 -YF 3 : Yb 3+ + Nd 3+ , whereby the concentration of yttrium fluoride is from 3% to 8%, the concentration of ytterbium ions is from 2% to 5%, and the concentration of neodymium ions is from 1% to 3%.
RU2018144277A 2018-12-14 2018-12-14 Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers RU2707388C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144277A RU2707388C1 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144277A RU2707388C1 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2707388C1 true RU2707388C1 (en) 2019-11-26

Family

ID=68653266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018144277A RU2707388C1 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2707388C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798465C1 (en) * 2022-10-28 2023-06-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Crystal q-switches for lasers in the visible spectral range

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5943354A (en) * 1994-03-18 1999-08-24 Brown University Research Foundation Optical sources having a strongly scattering gain medium providing laser-like action
RU2428778C2 (en) * 2009-05-29 2011-09-10 Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Optical laser material and production method thereof
US20150010027A1 (en) * 2011-12-30 2015-01-08 Thales Laser Source Having a Peak Power of More Than 100 Terawatts and High Contrast

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5943354A (en) * 1994-03-18 1999-08-24 Brown University Research Foundation Optical sources having a strongly scattering gain medium providing laser-like action
RU2428778C2 (en) * 2009-05-29 2011-09-10 Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Optical laser material and production method thereof
US20150010027A1 (en) * 2011-12-30 2015-01-08 Thales Laser Source Having a Peak Power of More Than 100 Terawatts and High Contrast

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Joaquín Fernández и др. "Nd3+ laser spectral dynamics in CaF2-YF3-NdF3 crystals", Optical Materials, Volume 13, Issue 1, October 1999, страницы 9 - 16. *
Joaquín Fernández и др. "Nd3+ laser spectral dynamics in CaF2-YF3-NdF3 crystals", Optical Materials, Volume 13, Issue 1, October 1999, страницы 9 - 16. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798465C1 (en) * 2022-10-28 2023-06-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Crystal q-switches for lasers in the visible spectral range

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Burshtein et al. Excited-state absorption studies of Cr/sup 4+/ions in several garnet host crystals
JP2011193029A (en) Laser resistant to internal ir-induced damage
Chicklis et al. Stimulated emission in multiply doped Ho 3+: YLF and YAG-A comparison
US5022040A (en) Upconversion pumped lasers
You et al. Diode-end-pumped midinfrared multiwavelength Er: Pr: GGG laser
US4782494A (en) Method of providing continuous lasing operation
US4464761A (en) Chromium-doped beryllium aluminum silicate laser systems
IL163523A (en) Solid-state devices with radial dopant valence profile
RU2746445C2 (en) High power amplifier on a crystal doped with rare earth elements, based on a superlow quantum defected injection circuit using single-mode or low-mode fiber lasers
Basiev et al. Colour centre lasers
RU2707388C1 (en) Crystalline material based on fluorite-like systems for beam-lasers
Jelínková et al. Room-temperature lasing, gain-switched bulk, tunable Fe: ZnSe laser
Wang et al. Anisotropic laser properties of Yb: Ca3La2 (BO3) 4 disordered crystal
Boulon Transition Metal Ion Lasers—Cr3+
Cao et al. Efficient operation of an Yb: YAl 3 (BO 3) 4 laser passively Q-switched with 2D MoS 2 saturable absorber
Normani Nd Lu CaF2 for high-energy lasers
Khazanov et al. Concept study of a 100-PW femtosecond laser based on laser ceramics doped with chromium ions
Guo et al. High performances of diode-end-pumped Nd: SrAl 12 O 19 lasers operated in continuous-wave and passively Q-switched regimes
Jagadeesha et al. Introduction to Solid‐State Lasers
Braud et al. Passive Q-switching and wavelength tunability of a diode-pumped Tm: Yb: YLiF4 laser around 1.5 μm
Němec et al. Spectroscopic and Lasing Properties of Er: GGAG Crystal in Temperature Range 80 to 340 K
Zhu et al. The first demonstration of wavelength-tunable Yb3+-doped low silica calcium aluminosilicate (LSCAS) glass lasers
Yao et al. Solid tunable laser technology
Khazanov et al. New concept of 100 PW femtosecond laser based on ceramics doped with chromium ions
Kurtz et al. New laser lines of erbium in yttrium aluminum garnet