CS240135B1

CS240135B1 - Yttrium clayey garnet with permanent laser properties

Info

Publication number: CS240135B1
Application number: CS846943A
Authority: CS
Inventors: Jiri Kvapil; Jiri Kubelka; Bohumil Perner; Josef Kvapil
Original assignee: Jiri Kvapil; Jiri Kubelka; Bohumil Perner; Josef Kvapil
Priority date: 1984-09-17
Filing date: 1984-09-17
Publication date: 1986-02-13
Also published as: CS694384A1

Abstract

Yttritohlinitý granát se stálými laserovými vlastnostmi, aktivovaný ionty neodymu, vhodný k použití v pulsním i kontinuálním laserovém provozu, zejména, je-li požadována dlouhodobá provozní stabilita, kde jí je dosaženo tím, že obsahuje příměs iontů praseodymu a terbia v atomárním poměru Nd : : Pr : Tb = 100 : 0,000 5 až 0,05 : 0,02 až 1,0 a případně ještě ionty chrómu nebo titanu v atomárním poměru Nd : Cr nebo Ti = 100 : : 0,05 až 5,0.Yttrituminous garnet with permanent laser properties, activated by neodymium ions, suitable for both pulse and continuous use laser operation, especially if required long-term operational stability where it is achieved by the addition of praseodymium ions and terbium in atomic ratio Nd: : Pr: Tb = 100: 0.000 5 to 0.05: 0.02 to 1.0 and optionally even chromium or titanium ions in atomic ratio Nd: Cr or Ti = 100: : 0.05 to 5.0.

Description

Vynález se týká yttritohlinitého granátu, aktivovaného neodymem se stálými lasero• vými vlastnostmi, vhodný pro dlouhodobé použití v laserech.The invention relates to a neodymium-activated yttrium-aluminum garnet with stable laser properties suitable for long-term use in lasers.

Yttritohlinitý granát aktivovaný ionty neodymu se široce využívá jako aktivní .materiál v laserech různých typů a výkonů. Vlastnosti uvedeného aktivního materiálu přitom silně závisejí na přítomnosti i malých množství dalších příměsí a jeho tepelném zpracování. Řada příměsí v yttritohlinitém granátu aktivovaném ionty neodymu podmiňuje jeho citlivost na záření zejména krátkovlnných podílů světla výbojek používaných v laseru, kdy se vytvářejí barevná centra. Barevná centra snižují účinnost laseru tím, že absorbují čerpací i emitované světlo a výjimečně zhášejí i luminiscenci aktivátoru. Uvedené změny jsou dlouhodobé 1 krátkodobé a v praxi působí zhoršení stability funkčních parametrů laseru. Také přítomnost samotného neodymu podmiňuje vznik barevných center s krátkou dobou života, která svou absorpcí podstatně zesilují tepelné deformace například při kontinuálním čerpání laserových tyčí.Neodymium-activated yttrium-aluminum garnet is widely used as an active material in lasers of various types and powers. The properties of the active material are strongly dependent on the presence of even small amounts of other impurities and its heat treatment. Numerous admixtures in neodymium-activated yttrium-aluminum garnet condition its sensitivity to radiation, especially of the short-wave proportions of the light of the lamps used in the laser when color centers are formed. Color centers reduce the efficiency of the laser by absorbing both pumping and emitted light and, exceptionally, extinguishing the luminescence of the activator. These changes are long-term 1 short-term and in practice cause a deterioration in the stability of the laser functional parameters. Also, the presence of neodymium alone causes the formation of color centers with a short lifetime, which, by their absorption, considerably intensify the thermal deformations during continuous pumping of laser bars.

Velkou část uvedených potíží odstraňuje yttritohlinitý granát aktivovaný neodymem se stálými laserovými vlastnostmi podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje příměs iontů praseodymu a terbia v atomárním poměru Nd; Pr : Tb 100 : : 0,000 5 až 0,05 : 0,02 až 1,0, případně ještě ionty chrómu nebo titanu v atomárním poměru Nd : Cr nebo Ti = 100 : 0,05 až 5,0.Much of this difficulty is eliminated by the neodymium-activated yttrium-aluminum garnet having constant laser properties according to the invention, which comprises the addition of praseodymium and terbium ions in an atomic ratio of Nd; Pr: Tb 100:: 0.000 5 to 0.05: 0.02 to 1.0, optionally chromium or titanium ions in atomic ratio Nd: Cr or Ti = 100: 0.05 to 5.0.

Tento materiál nevykazuje v laserovém provozu žádné dlouhodobé změny. Je-li třeba potlačit krátkodobé změny parametrů laseru, například na počátku jeho funkce vlivem teplotních deformací aktivního materiálu, je vhodné jeho složení upravit dalším případným přídavkem iontů chrómu nebo titanu. Příměs terbia v yttritohlinitém granátu, aktivovaném ionty neodymu .bez přítomnosti praseodymu má jen malý vliv, pokud jde o zamezení tvorby barevných center. Uplatňuje se spíše tím, že omezuje záporný vliv některých iontů vzácných zemin na luminiscenci neodymu, ale zvyšuje rychlost tvorby barevných center. Teprve kombinace příměsi praseodymu a terbia stabilizuje příznivě laserové vlastnosti yttritohlínitého granátu.This material does not show any long-term changes in laser operation. If it is necessary to suppress short-term changes of the laser parameters, for example at the beginning of its function due to thermal deformations of the active material, it is suitable to adjust its composition by further possible addition of chromium or titanium ions. The addition of terbium in a yttrium-aluminum garnet, activated by neodymium ions, without the presence of praseodymium, has little effect in preventing the formation of color centers. Rather, it works by limiting the negative influence of some rare earth ions on neodymium luminescence, but increases the rate of color center formation. Only the combination of the admixture of praseodymium and terbia stabilizes the laser properties of the yttrituminous garnet favorably.

Yttritohlinitý granát se stálými laserovými vlastnostmi podle vynálezu, je vhodný k použití v pulsním i kontinuálním laserovém provozu, a to zejména v těch případech, kdy je pořadována dlouhodobá provozní stabilita.The yttrium-aluminum garnet with stable laser properties according to the invention is suitable for use in both pulsed and continuous laser operation, especially in those cases where long-term operational stability is ordered.

Příklad 1Example 1

Monokrystaly yttritohlinitého granátu s obsahem 1,0 až 1,1 at. % neodymu vztaženo na yttritum byly pěstovány za použití oxidu ' yttritého a hlinitého čistoty 99,999 9 % a oxidu neodymitého čistoty 99,999 °/o. Přes použití takto čistých výchozích surovin vy kazovaíy laserové tyče o průměru 5 mní a délce 50 mm zhotovené z vypěstovaných monokrystalů v pulsním laserovém provozu při energii čerpacího pulsu 60 J pokles výstupní .energie z počátečních 1,5 J na 1,15 J, a to v závislosti na teplotě během 300 až 420 pulsů. Počáteční hodnotu výstupní energie bylo možno získat až po odstavení laseru z provozu v trvání alespoň 18 hodin. V případě, že výchozí oxid hlinitý obsahoval 0,001 % hmot. železa, byl pokles z 1,38 na 1,18 J pozorován až po 3 500 pulsech, avšak tento pokles byl již trvalý. Bylo-li k výchozí surovině přidáno 0,01 at. % praseodymu a 0,08 át. % terbia, vztaženo na neodym jako oxid praseodymu ΡγθΟιι a oxid terbia Tb4O7 a vypěstované monokrystaly obsahovaly 0,007 aL % praseodymu a 0,12 at. % terbia, vztaženo na neodym. Laserové tyče připravené z těchto monokrystalů vykazovaly při stejném způsobu laserového provozu výstupní energii v průměru 1,38 J, která, pokud byla vyměňována opotřebovaná výbojka laseru jpo cca 30000 pulsech), se ani po 100 000 pulsech pozorovatelně nezměnila.Yttrium aluminum garnet monocrystals containing 1.0 to 1.1 at. % of neodymium based on yttrite were grown using yttrium oxide and aluminum purity of 99.999 9% and neodymium purity of 99.999%. Despite the use of such pure raw materials, laser bars with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm made of cultured monocrystals in pulsed laser operation at a pulsation energy of 60 J exhibited a drop in output energy from an initial 1.5 J to 1.15 J, depending on the temperature within 300 to 420 pulses. The initial value of the output energy could only be obtained after the laser was shut down for at least 18 hours. In the case where the starting alumina contained 0.001 wt. iron, a decrease from 1.38 to 1.18 J was observed only after 3,500 pulses, but this decrease was already sustained. If 0.01 at. % praseodymium and 0.08%. % terbium, based on neodymium such as praseodymium oxide ΡγθΟι and terbium oxide Tb4O7 and cultured single crystals contained 0.007 and% praseodymium and 0.12 at. % terbium, based on neodymium. Laser rods prepared from these single crystals exhibited an output energy of 1.38 J on average in the same mode of laser operation, which did not change noticeably after 100,000 pulses when the worn laser lamp was replaced (about 30000 pulses).

Příklad 2Example 2

Monokrystaly yttritového granátu s obsahem 0,9 až 1,0 at. % neodymu vztaženo na yttrium byly pěstovány za použití oxidu yttritého čistoty 99,99 %, oxidu hlinitého čistoty 99,999 % a oxidu neodymitého čistoty 99,9 °/o. K dispozici bylo přitom několik typů, resp. šarží uvedených oxidů, lišících se vzájemně druhem nečistot. Z mnokrystalů byly zhotoveny laserové tyče o průměru 4 milimetrů a délce 80 mm, které byly použity y kontinuálním laseru, čerpaném kryptonovou výbojkou o příkonu 3 kW. Výstupní zrcadlo laseru o reflektivitě 96 % bylo rovinné, zadní, vzdálené od výstupního zrcadla 21 cm, bylo duté o poloměru 1 m. Počáteční výkon laseru 55 W poklesl okamžitě po zapnutí na 42 W vlivem tvorby přechodných barevných center. Navíc bylo pozorováno velmi pomalé, ale nevratné snižování výkonu o 8 W po 80 hodinách provozu vlivem tvorby stálých barevných center. Stálá barevná centra se podařilo s úspěchem potlačit tím, že jako výchozí oxid yttritý byly vybírány šarže, které obsahovaly 0,000 3 až 0,005 at. % terbia a šarže oxidu neodymitého s obsahem nanejvýše 0,05 at. % praseodymu, vztaženo na yttrium, resp. neodym. Dále bylo k výchozí surovině přidáno 0,1 % chrómu jako oxid chromitý, vztaženo na neodym. Vypěstované monokrystaly obsahovaly v průměru 0,3 at. % terbia, 0,04 at. °/o praseodymu a 0,25 at. % chrómu, vztaženo vesměs na neodym. Lasery vybavené tyčemi zhotovenými z těchto monokrystalů vykazovaly při stejných podmínkách, jaké byly použity při laserovém provozu původních tyčí, počátečnů výkon 57 W, který poklesl po 1 až 2 s provozu na 55 W, přičemž tento výkon byl zjištěn i po 80 hodinách provozu.Yttrite garnet monocrystals containing 0.9 to 1.0 at. % neodymium based on yttrium were grown using 99.99% pure yttrium oxide, 99.999% pure alumina and 99.9% pure neodymium oxide. There were several types, respectively. batches of said oxides differing from each other by the type of impurities. Laser rods with a diameter of 4 mm and a length of 80 mm were made of monocrystals and were used in a continuous laser pumped with a 3 kW Krypton lamp. The laser output mirror with a reflectivity of 96% was flat, rear, 21 cm away from the output mirror, hollow with a radius of 1 m. The initial power of 55 W decreased immediately after switching on to 42 W due to the formation of transient color centers. In addition, a very slow but irreversible 8W power reduction was observed after 80 hours of operation due to the creation of permanent color centers. Permanent color centers were successfully suppressed by selecting batches containing 0.000 3 to 0.005 at. % terbium and a batch of neodymium oxide containing not more than 0,05 at. % praseodymium, based on yttrium, respectively. neodymium. Further, 0.1% chromium as chromium trioxide, based on neodymium, was added to the starting material. The cultivated single crystals contained an average of 0.3 at. % terbia, 0.04 at. % Praseodymium and 0.25 at. % of chromium, based mostly on neodymium. The lasers equipped with rods made of these single crystals showed an initial power of 57 W at the same conditions as used in the laser operation of the original rods, which dropped to 55 W after 1-2 seconds of operation, even after 80 hours of operation.

,240135, 240135

Claims

Neodymium-activated yttrium-aluminum garnet with fixed laser properties, characterized in that it contains an admixture of praseodymium and terbium ions in the atomic ratio Nd:

OF THE INVENTION: Pr: Tb = 100: 0.000 5 to 0.05: 0.02 to 1.0, optionally still chromium or titanium ions in the atomic ratio Nd: Cr or Ti = 100:: 0.05 to 5.0.