RU2075142C1

RU2075142C1 - Multiple-purpose single-crystal material for lasers

Info

Publication number: RU2075142C1
Application number: RU94000649A
Authority: RU
Inventors: В.А. Лебедев; В.Ф. Писаренко; Ю.М. Чуев
Original assignee: Кубанский государственный университет
Priority date: 1994-01-11
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1997-03-10

Abstract

FIELD: solid-body infrared lasers, frequency converters for stimulated oscillations, solid-body lasers which double generated frequency. SUBSTANCE: material of rare-earth scandium borate has cerium as rare-earth element according to formulation Ce_1-xR_xM₃(BO₃)₄, where R is gadolinium and/or neodymium, M is scandium or scandium and chrome, and 0<x<1. EFFECT: increased functional capabilities. 4 tbl

Description

Изобретение относится к материалам для квантовой электроники, в частности к монокристаллам для высокоэффективных неодимовых лазеров, позволяющих получить стимулированное излучение (СИ) с длиной волны 1,06 мкм, для преобразователей частоты генерации (ПЧГ) лазеров, способных умножать частоту СИ, и для неодимовых лазеров с самоудвоением частоты генерации (СЧГ), работающих без дополнительного элемента на длине волны второй гармоники. The invention relates to materials for quantum electronics, in particular to single crystals for high-performance neodymium lasers, allowing to obtain stimulated radiation (SI) with a wavelength of 1.06 μm, for frequency converters of generation (IFG) lasers capable of multiplying the frequency of SI, and for neodymium lasers self-doubling the generation frequency (FHG) operating without an additional element at the second harmonic wavelength.

Такие монокристаллы можно получать на единой основе и по единой технологии, а применять по различным назначениям. Особый интерес представляет их применение в качестве комбинированной среды, позволяющей одновременно получать эффект СИ и ПЧГ, т.е. в качестве среды с эффектом СЧГ [1] Эффект СЧГ позволяет идти дальше по пути миниатюризации твердотельных лазеров, создания элементов интегральной оптоэлектроники, за счет уменьшения числа элементов устройства повышает его надежность, воспроизводимость и стабильность параметров. Such single crystals can be obtained on a single basis and by a single technology, and used for various purposes. Of particular interest is their use as a combined medium, which allows to simultaneously obtain the effect of SI and HRG, i.e. as a medium with the SCH effect [1], the SCG effect allows one to go further along the path of miniaturization of solid-state lasers, creating elements of integrated optoelectronics, and by reducing the number of elements of the device increases its reliability, reproducibility, and parameter stability.

Среди материалов, применяемых в этой области и по данному назначению [2] выделяется, как наиболее эффективный материал редкоземельный алюмоборат (РАБ) с химической формулой RAl₃(BO₃)₄, где R Gd или Y, содержащий для получения СИ и СЧГ активатор неодим [3-5] или не содержащий его, если нужно добиться лишь ПЧГ.Among the materials used in this field and for this purpose [2], the most effective material is rare-earth aluminoborate (RAB) with the chemical formula RAl ₃ (BO ₃ ) ₄ , where R Gd or Y, containing neodymium activator to produce SI and SCH [3-5] or not containing it, if it is necessary to achieve only an HRSG.

К недостаткам данного материала относится сложность его синтеза, поскольку получают его раствор расплавными способами со скоростями не более 1 мм в сутки [6, 7]
Наиболее близок к изобретению монокристаллический материал на основе редкоземельного скандиевого бората (РСБ), который в общем случае описывается химической формулой RSc₃(BO₃)₄, где R редкоземельные элементы и их композиции. В частности известен лантанскандиевый борат (ЛСБ) с неодимом и/или хромом LaSc₃(BO₃)₄-Cr, Nd, который выращивают из собственного расплава со скоростями 1-3 мм/ч. Кристаллы ЛСБ с неодимом и/или хромом обладают высоким генерационным поперечным сечением, низким порогом и высоким КПД генерации, характеризуются слабым концентрационным тушением люминесценции и высокой предельной концентрацией активаторов. Спектрально-люминесцентные и генерационные исследования этих кристаллов указывают на возможность создания на их основе новых высокоэффективных малогабаритных лазеров с ламповой, диодной и солнечной накачками [8, 9]
Дальнейшие исследования показали, что кристаллы на основе материала ЛСБ обладают ограниченными функциональными возможностями, а именно их невозможно применить для ПЧГ и для СЧГ. Причина этого заключается в том, что нелинейные свойства у ЛСБ Nd появляются лишь при концентрации неодима не менее 70-80% [10] При этом эффект ПЧГ и СЧГ незначителен из-за сильного поглощения неодимом излучения второй гармоники. В отсутствие неодима или при его содержании 1-10 мол. что необходимо для ПЧГ или СЧГ, соответственно материал на основе ЛСБ не проявляет нелинейных свойств.The disadvantages of this material include the complexity of its synthesis, since its solution is obtained by melt methods with speeds not exceeding 1 mm per day [6, 7]
Closest to the invention is a single crystal material based on rare-earth scandium borate (SSB), which is generally described by the chemical formula RSc ₃ (BO ₃ ) ₄ , where R is rare-earth elements and their compositions. In particular, Lanthan scandium borate (LSS) with neodymium and / or chromium LaSc ₃ (BO ₃ ) ₄ -Cr, Nd is known, which is grown from its own melt at a rate of 1-3 mm / h. LSS crystals with neodymium and / or chromium have a high generation cross section, low threshold, and high generation efficiency, are characterized by weak concentration quenching of luminescence and a high limiting concentration of activators. Spectral-luminescent and lasing studies of these crystals indicate the possibility of creating new highly efficient small-sized lasers with lamp, diode, and solar pumping on their basis [8, 9]
Further studies showed that crystals based on the LSS material have limited functional capabilities, namely, they cannot be used for SCH and SCH. The reason for this is that the nonlinear properties of LsNd appear only at a neodymium concentration of at least 70-80% [10] Moreover, the effect of FSB and SCH is negligible due to the strong absorption of second harmonic radiation by neodymium. In the absence of neodymium or with its content of 1-10 mol. what is necessary for an SCH or SCH, respectively, a material based on LSS does not exhibit nonlinear properties.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей монокристаллических материалов для лазеров. Это достигается тем, что монокристаллический материал для лазеров на основе редкоземельного скандиевого бората содержит в качестве редкоземельного элемента церий в соответствии с формулой
Ce_1-xR_xM₃(BO₃)₄
где R неодим и/или гадолиний, М скандий или скандий и хром, а 0 < x < 1. Если требуется получить лазерные кристаллы на основе церийскандиевого бората (ЦСБ) с эффектом СИ, то в качестве R выбирают неодим. Для получения кристаллов ЦСБ с эффектом ПЧГ требуется выбрать R в виде гадолиния. Если требуется применить кристаллы ЦСБ для лазеров с СЧГ, требуется в качестве R взять Gd и Nd. Кристаллы ЦСБ для лазеров с п-п накачкой содержат в качестве М скандий, а с ламповой скандий и хром.The invention is aimed at expanding the functionality of single-crystal materials for lasers. This is achieved by the fact that the single-crystal material for lasers based on rare-earth scandium borate contains cerium as a rare-earth element in accordance with the formula
Ce _1-x R _x M ₃ (BO ₃ ) ₄
where R is neodymium and / or gadolinium, M is scandium or scandium and chromium, and 0 <x <1. If you want to obtain laser crystals based on cerium scandium borate (CSB) with the SR effect, then neodymium is chosen as R. To obtain crystals of CSB with the effect of FSH, it is necessary to choose R in the form of gadolinium. If it is required to use CSB crystals for lasers with SCH, it is required to take Gd and Nd as R. CSB crystals for p-p-pumped lasers contain scandium as M, and with scandium lamp and chrome.

Кристаллы на основе ЦСБ с кристаллохимической точки зрения отличаются от ЛСБ меньшим ионным радиусом редкоземельного катиона (Ce 1,01

, La 1,04

). Поэтому, если добавить небольшую долю ионов Gd, то структура кристаллов модифицируется из центросимметричной с пр. гр. С2/с в ацентричную с пр. гр. R32. И они приобретают нелинейные свойства.Crystals based on CSB differ from the crystal chemical point of view from LSS in the smaller ionic radius of the rare-earth cation (Ce 1.01

, La 1.04

) Therefore, if we add a small fraction of Gd ions, the crystal structure is modified from a centrosymmetric one with sp.gr. C2 / s to acentric with sp.gr. R32. And they acquire non-linear properties.

Монокристаллы церийскандиевого бората могут быть получены различными способами. Нами для опытной проверки применялся метод вытягивания по Чохральскому из иридиевых и платиновых тиглей в инертной атмосфере. Шихту получали смешением и тщательной гомогенизацией смеси оксидов церия, скандия и бора высших квалификаций и при необходимости оксидов неодима, гадолиния и хрома с последующим прессованием в таблеты и наплавлением в тигель. Скорость вытягивания выбирали в диапазоне 1-3 мм/ч обратно пропорционально содержанию гадолиния. Составы полученных монокристаллов и некоторые их свойства приведены в табл. 1. Single crystals of cerium scandium borate can be obtained in various ways. For experimental verification, we used the Czochralski pulling method from iridium and platinum crucibles in an inert atmosphere. The mixture was obtained by mixing and thoroughly homogenizing a mixture of cerium, scandium and boron oxides of the highest qualifications and, if necessary, neodymium, gadolinium and chromium oxides, followed by pressing into tablets and melting into a crucible. The drawing speed was selected in the range of 1-3 mm / h inversely proportional to the gadolinium content. The compositions of the obtained single crystals and some of their properties are given in table. one.

Монокристаллы по примерам 1-5 содержат в качестве R Gd. Нелинейные свойства становятся заметны при содержании Gd 15 мол. (пример 2). Наилучшая эффективность преобразования частоты СИ получена при содержании Gd 20 мол. (пример 3). При содержании Gd свыше 50 мол. происходит разложение расплава и кристаллы не удается получить (пример 5). The single crystals of examples 1-5 contain as R Gd. Nonlinear properties become noticeable when the content of Gd 15 mol. (example 2). The best SR frequency conversion efficiency was obtained with a Gd content of 20 mol. (example 3). When the content of Gd over 50 mol. decomposition of the melt occurs and the crystals cannot be obtained (example 5).

Монокристаллы по примерам 6-9 содержат в качестве R неодим и пригодны для лазеров с длиной волны 1,062 или 1,342 мкм (табл. 2). При содержании неодима свыше 50 мол. кристаллы приобретают нелинейные свойства, однако не могут применяться для ПЧГ и СЧГ из-за высокой концентрации неодима (примеры 8, 9), но пригодны для мини- и микролазеров. Если применяется ламповая накачка, то кристаллы содержат хром (примеры 10-12). При содержании хрома 30 мол. качество кристаллов становится неудовлетворительным. Оптимальное содержание неодима 10 мол. хрома 1 мол. (пример 10). The single crystals of examples 6-9 contain neodymium as R and are suitable for lasers with a wavelength of 1.062 or 1.342 μm (Table 2). When the content of neodymium over 50 mol. crystals acquire nonlinear properties, however, they cannot be used for FSH and HCH due to the high concentration of neodymium (examples 8, 9), but are suitable for mini- and microlasers. If tube pumping is used, the crystals contain chromium (examples 10-12). With a chromium content of 30 mol. crystal quality is becoming unsatisfactory. The optimal content of neodymium is 10 mol. chromium 1 mol. (example 10).

Монокристаллы по примерам 13, 14 содержат неодим и гадолиний. Гадолиний модифицирует структуру и придает ей нелинейные свойства. Содержание неодима выбирают невысоким (3-6 мол.), чтобы предотвратить перепоглощение на частоте второй гармоники. Такие монокристаллы применяют для лазеров с СЧГ. The single crystals of examples 13, 14 contain neodymium and gadolinium. Gadolinium modifies the structure and gives it nonlinear properties. The neodymium content is chosen low (3-6 mol.) To prevent reabsorption at the frequency of the second harmonic. Such single crystals are used for lasers with SCH.

Монокристаллы по примеру 15 содержат оптимальные концентрации Gd и Cr и применяют для лазеров с ламповой накачкой и длиной волны генерации 0,85 - 0,855 мкм (табл. 3). The single crystals of example 15 contain the optimal concentration of Gd and Cr and are used for lasers pumped by a pump and a wavelength of generation of 0.85 - 0.855 μm (table. 3).

Монокристаллы по примеру 16 содержат оптимальные концентрации Gd, Cr и Nd и применяются для лазеров с длиной волны 1,061 или 1,338 мкм (табл. 2) и ламповой накачкой. The single crystals of example 16 contain optimal concentrations of Gd, Cr and Nd and are used for lasers with a wavelength of 1.061 or 1.338 μm (Table 2) and lamp pumping.

Как следует из табл. 4 физические свойства ЦСБ близки к свойствам ЛСБ [8-10]
Центросимметричные моноклинные кристаллы ЦСБ с неодимом по своим генерационным и спектрально-люминесцентным свойствам (табл. 2) практически не отличаются от моноклинных кристаллов ЛСБ Nd [9,10] Ацентричные тригональные кристаллы с гадолинием по некоторым параметрам превосходят моноклинные, например, по сечению дополнительного генерационного перехода ⁴F_3/2_→⁴I_13/2 (табл. 2).As follows from the table. 4 physical properties of CSB are close to those of LSS [8-10]
Centrosymmetric monoclinic CSB crystals with neodymium in their generation and spectral luminescent properties (Table 2) practically do not differ from monoclinic LSD crystals Nd [9, 10]. Acentric trigonal crystals with gadolinium are superior in some parameters to monoclinic crystals, for example, in cross section of an additional lasing transition ⁴ F _3/2 _ → ⁴ I _13/2 (Table 2).

В табл. 3 приведены параметры ЦСБ Cr и ЦСБ Gd, Cr. Отметим, что параметры ЛСБ Cr и ЦСБ Cr близки. Параметры ЦСБ Gd, Cr отличаются от ЦСБ Cr или ЛСБ Сr, в частности, ЦСБ Gd, Cr обладает при комнатной температуре квантовым выходом люминесценции близким единице и большим сечением генерационного перехода (табл. 3). In the table. 3 shows the parameters of CSB Cr and CSB Gd, Cr. Note that the parameters of LSS Cr and CSB Cr are close. The parameters of the CSB Gd, Cr differ from the CSB Cr or LSS Cr; in particular, the CSB Gd, Cr possesses at room temperature a luminescence quantum yield close to unity and a large cross section for the lasing transition (Table 3).

Испытания проводили на плоскопараллельных полированных пластинах толщиной 1 мм, вырезанных из кристаллов по вышеуказанным примерам. Генерацию СИ получали в непрерывном режиме с накачкой лазером на ионах Ar⁺. Резонатор собирали из двух зеркал с радиусом кривизны 50 мм с коэффициентами отражения на длине волны 1,06 мкм 100 и 97% Излучения фокусировали при помощи линзы с фокусным расстоянием 300 мм в перетяжку с диаметром 0,15 мм. Длину волны генерации регистрировали при помощи монохроматора СДЛ-1 и приемника ФЭУ-62. Порог генерации на длине волны 1,062 и 1,061 мкм для образцов по примерам 7 и 16 соответственно составил около 0,1 Вт и около 0,2 Вт для образца по примеру 14.The tests were carried out on plane-parallel polished plates 1 mm thick, cut from crystals according to the above examples. SI generation was obtained in a continuous mode pumped by a laser using Ar ⁺ ions. The resonator was assembled from two mirrors with a radius of curvature of 50 mm with reflection coefficients at a wavelength of 1.06 μm 100 and 97%. The radiation was focused using a lens with a focal length of 300 mm in a constriction with a diameter of 0.15 mm. The generation wavelength was recorded using an SDL-1 monochromator and a PMT-62 receiver. The generation threshold at a wavelength of 1.062 and 1.061 μm for the samples in examples 7 and 16, respectively, was about 0.1 W and about 0.2 W for the sample in example 14.

Преобразование частоты генерации (генерацию второй гармоники) наблюдали визуально при помощи облучения образцов пластин и монокристаллических блоков излучением импульсного ИАГ лазера с длиной волны 1,06 мкм, работающего в режиме синхронизации мод с энергией импульса около 0,2 Дж. В таких условиях было зарегистрировано преобразование частоты излучения во 2-ю гармонику на образцах по примерам 2-4, 8-9, 13-16. Сравнение эффективности преобразования во 2-ю гармонику проводили при помощи монохроматора СДЛ-1, приемника ФЭУ-62, осциллографа С1-79, стопы фильтров, поглощающих излучение с длиной волны 1,062 мкм ИАГ Nd лазера, путем помещения пластин LiNbO₃ и пластины ЦСБ Gd (пример 3) одинаковой толщины перед щелью монохроматора в одинаковой геометрии эксперимента. Установлено, что ЦСБ Gd по эффективности ПЧГ во вторую гармонику не уступает ниобату лития.A conversion of the generation frequency (second harmonic generation) was observed visually by irradiating samples of wafers and single crystal blocks with the radiation of a pulsed YAG laser with a wavelength of 1.06 μm, operating in the mode synchronization mode with a pulse energy of about 0.2 J. Under these conditions, a conversion was recorded the frequency of radiation into the 2nd harmonic on the samples according to examples 2-4, 8-9, 13-16. The efficiency of conversion to the 2nd harmonic was compared using an SDL-1 monochromator, an FEU-62 receiver, a C1-79 oscilloscope, a stack of filters that absorb radiation with a wavelength of 1.062 μm YAG Nd laser, by placing LiNbO ₃ plates and a Gd CSB plate ( example 3) of the same thickness in front of the slit of the monochromator in the same geometry of the experiment. It has been established that CSB Gd is not inferior to lithium niobate in the second harmonic in the efficiency of the SCHG.

Испытания показали, что в зависимости от R предлагаемые монокристаллы проявляют эффект преобразования частоты излучения, генерации стимулированного излучения, либо оба эти эффекта вместе, т.е. являются полифункциональными. Tests have shown that, depending on R, the proposed single crystals exhibit the effect of converting the radiation frequency, generating stimulated radiation, or both of these effects together, i.e. are multifunctional.

Поскольку предлагаемые монокристаллы совмещают оба эффекта, обладают более высокими спектрально-люминесцентными и генерационными параметрами, то следует заключить, что они более перспективны для создания лазеров с полупроводниковой, ламповой и солнечной накачкой, чем монокристаллы по прототипу. Since the proposed single crystals combine both effects and have higher spectral-luminescent and lasing parameters, it should be concluded that they are more promising for creating lasers with semiconductor, lamp and solar pumping than single crystals according to the prototype.

Claims

Semi-functional single-crystal material for lasers based on rare-earth scandium borate, characterized in that it contains cerium as a rare-earth element in accordance with the formula
Ce _1-x R _x M ₃ (BO ₃ ) ₄ ,
where R is gadolinium and / or neodymium, M is scandium or scandium and chromium, 0 <x <1.