RU2106050C1 - Laser material - Google Patents

Laser material Download PDF

Info

Publication number
RU2106050C1
RU2106050C1 RU96116357A RU96116357A RU2106050C1 RU 2106050 C1 RU2106050 C1 RU 2106050C1 RU 96116357 A RU96116357 A RU 96116357A RU 96116357 A RU96116357 A RU 96116357A RU 2106050 C1 RU2106050 C1 RU 2106050C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
crystal
crystals
radiation
generation
Prior art date
Application number
RU96116357A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96116357A (en
Inventor
Юрий Дмитриевич Заварцев
Александр Иосифович Загуменный
Виктор Алексеевич Михайлов
Павел Алексеевич Студеникин
Иван Александрович Щербаков
Original Assignee
Юрий Дмитриевич Заварцев
Александр Иосифович Загуменный
Виктор Алексеевич Михайлов
Павел Алексеевич Студеникин
Иван Александрович Щербаков
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 Юрий Дмитриевич Заварцев, Александр Иосифович Загуменный, Виктор Алексеевич Михайлов, Павел Алексеевич Студеникин, Иван Александрович Щербаков filed Critical Юрий Дмитриевич Заварцев
Priority to RU96116357A priority Critical patent/RU2106050C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2106050C1 publication Critical patent/RU2106050C1/en
Publication of RU96116357A publication Critical patent/RU96116357A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: quantum electronics; solid-state lasers. SUBSTANCE: solid-state laser of wavelength between 1.9 and 2.0 mcm uses laser material of chemical formula A1-0,4-xB0,4TmxVO4 and incorporates, in addition, at least one of group elements: Li, B, Be, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mu, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi, in the amount of 1•1017 to 5•1020cm-3. EFFECT: improved quality of laser material. 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к материалам для лазерной техники и предназначено для применения в твердотельных лазерах с длиной волны стимулированного излучения в интервале от 1,9 мкм до 2,0 мкм. The invention relates to quantum electronics, namely to materials for laser technology and is intended for use in solid-state lasers with a wavelength of stimulated radiation in the range from 1.9 μm to 2.0 μm.

Известно лазерное вещество кристалл ортованадата Nd:Gd0,5La0,5VO4, который может использоваться в качестве активной среды для лазеров с длиной волны генерации 1,06 мкм [1]
К недостаткам этого кристалла относится опасный для глаз диапазон работы лазера.
A known laser substance is a crystal of orthovanadate Nd: Gd 0.5 La 0.5 VO 4 , which can be used as an active medium for lasers with a generation wavelength of 1.06 μm [1]
The disadvantages of this crystal include the laser-hazardous range for the eyes.

Известны также кристаллы со структурой граната, состав которых выражается химической формулой:
A3B2C3O12
где
A-Y и по крайней мере один из элементов группы: Tm, Ho, Er,
B- один из элементов группы: Cr, Sc, Al, Ga;
C-Ga или Al,
причем концентрация Cr, Tm, Ho и Er, выраженная в формульных единицах (ф. ед. ), колеблется в интервалах: от 0,022 ф.ед. до 0,062 ф.ед. для Cr; от 0,087 ф.ед. до 0,199 ф.ед. для Tm; от 0,011 ф.ед. до 0,025 ф.ед. для Ho; от 0,022 ф.ед. до 0,249 ф.ед. для Er.
Also known crystals with the structure of garnet, the composition of which is expressed by the chemical formula:
A 3 B 2 C 3 O 12
Where
AY and at least one of the elements of the group: Tm, Ho, Er,
B - one of the elements of the group: Cr, Sc, Al, Ga;
C-Ga or Al,
moreover, the concentration of Cr, Tm, Ho, and Er, expressed in formula units (f.units), ranges from: 0.022 f.ed. up to 0.062 fed units for Cr; from 0,087 fed up to 0.199 f. for Tm; from 0.011 fu up to 0.025 f.ed. for Ho; from 0,022 f.ed. up to 0.249 f.ed. for Er.

На этих кристаллах, в генерационных схемах с лазерной накачкой, при комнатной температуре была получена генерация на Tm (1,860 мкм), Ho (2,090 кмк) и Er (1,650 мкм, 2,710 мкм). Дополнительно на кристалле натрий алюминиевого грана с туллием и гольмием (Y, Tm, Ho)3Al5O12 был реализован режим эффективной модуляции добротности при комнатной температуре с диодной накачкой (G. Huber, E.W.Duczynski, K.Petermann, "Laser pumping of Ho, Tm-, Er-doped garnet lfsers at room temperature", IEEE J. Quantum Electronics, v.24, No.6 (1998), pp.920-923).On these crystals, in laser-pumped generation schemes, lasing at Tm (1.860 μm), Ho (2.090 kmk) and Er (1.650 μm, 2.710 μm) was obtained at room temperature. In addition, the regime of effective Q-switching at room temperature with diode pumping (G. Huber, EWDuczynski, K.Petermann, "Laser pumping of Ho" was implemented on a sodium-aluminum crystal with thulium and holmium (Y, Tm, Ho) 3 Al 5 O 12 , Tm-, Er-doped garnet lfsers at room temperature ", IEEE J. Quantum Electronics, v.24, No.6 (1998), pp. 920-923).

В отличие от остальных гранатов, легированных ионами туллия, на кристаллах (Y, Tm)3Al5O12, (Y, Lu, Tm)3Al5O12 и (Lu, Tm)3Al5O12 была получения максимальная эффективность генерации при диодной накачке (J.D.Kmetec, T.S. Kubo, and Thomas J. Kane "Laser performance of diodepumped thulium-doped Y3Al5O12 and Lu3Al5O12 crystals". OPTICS LETTERS, Vol. 19, N 3, (1994), pp. 186-188).Unlike other garnets doped with thulium ions, on crystals (Y, Tm) 3 Al 5 O 12 , (Y, Lu, Tm) 3 Al 5 O 12 and (Lu, Tm) 3 Al 5 O 12 was obtained the maximum efficiency diode-pumped generation (JDKmetec, TS Kubo, and Thomas J. Kane "Laser performance of diodepumped thulium-doped Y 3 Al 5 O 12 and Lu 3 Al 5 O 12 crystals". OPTICS LETTERS, Vol. 19, N 3, ( 1994), pp. 186-188).

Однако лазерные матрицы с туллием на основе кристаллов со структурой гаранта имеют ряд недостатков. Во-первых максимум поглощения в этих кристаллах распложен на длине волны λ 785 нм, поэтому для лазеров с диодной накачкой требуется применение либо дорогостоящих нестандартных диодов, либо сложных систем на основе стандартных (излучение на l 808 нм) диодов с охлаждением ниже 0oC. Во-вторых миниатюрные лазеры на кристаллах граната с туллием имеют высокий порог генерации (больше 1,7 Вт) при командной температуре. Причем эффективная генерация таких лазеров была получена только при температуре ниже 0oC, в реальных же лазерных системах при рабочей температуре 30-40oC КПД лазера составляет менее 5% В-третьих эти кристаллы имеют невысокий коэффициент поглощения на длине волны накачки, так как при больших ионов туллия Tm3+ в кристаллах со структурой граната наблюдается интенсивное концентрационное тушение люминесценции. Поэтому существенным недостатком 2-х микронных лазеров на основе гранатов с туллием является необходимость использования относительно длинных (3-7 мм) активных элементов, что требует применения дорогостоящей сложной оптической системы с цилиндрическими и сферическими линзами для фокусировки излучения полупроводникового ALGaAs-диода.However, laser matrices with thulium based on crystals with a guarantor structure have several disadvantages. Firstly, the absorption maximum in these crystals is located at a wavelength of λ 785 nm, therefore, diode-pumped lasers require the use of either expensive non-standard diodes or complex systems based on standard (radiation at l 808 nm) diodes with cooling below 0 o C. Secondly, miniature gallium crystal lasers with thulium have a high generation threshold (more than 1.7 W) at a command temperature. Moreover, efficient generation of such lasers was obtained only at temperatures below 0 o C, but in real laser systems at an operating temperature of 30-40 o C the laser efficiency is less than 5%. Thirdly, these crystals have a low absorption coefficient at the pump wavelength, since For large Tullium ions Tm 3+ , intense concentration quenching of luminescence is observed in crystals with a garnet structure. Therefore, a significant drawback of 2 micron lasers based on garnets with thulium is the need to use relatively long (3-7 mm) active elements, which requires the use of an expensive complex optical system with cylindrical and spherical lenses to focus the radiation of a semiconductor ALGaAs diode.

Все перечисленные выше недостатки усложняют и делают дорогостоящими лазеры на основе кристаллов со структурой граната. All of the disadvantages listed above complicate and make costly lasers based on crystals with a garnet structure.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения можно выбрать лагерное вещество на основе ортованадата иттрия, содержащее ионы туллия (Y, Tm)1VO4 [2] На этом кристалле было получено стимулированное излучение с длиной волны l = 1,94μм на лазерном переходе 3H43H6. Дифференциальный КПД лазера, работающего при комнатной температуре с накачкой Ti-сапфировым лазером на длине волны 800 нм, составлял 25% при пороге генерации 360 мВт.As a prototype of the invention, it is possible to choose a camp substance based on yttrium orthovanadate containing thallium ions (Y, Tm) 1 VO 4 [2] This crystal was used to obtain stimulated radiation with a wavelength l = 1.94μm at a 3 H 4 laser transition → 3 H 6 . The differential efficiency of a laser operating at room temperature with a Ti-sapphire laser pumped at a wavelength of 800 nm was 25% at a generation threshold of 360 mW.

К основным недостаткам этого материала можно отнести невысокую эффективность генерации при лазерной накачке и высокий порог генерации при комнатной температуре, отсутствие генерации при диодной накачке, а также невысокую теплопроводность этого материала, что обуславливает сильный локальный разогрев в области накачки кристалла и растрескивание лазерного элемента при средних мощностях накачки (1 Вт). Совокупность этих недостатков не позволяет использовать это лазерное вещество в эффективных миниатюрных лазерах с диодной накачкой. The main disadvantages of this material include the low generation efficiency under laser pumping and the high generation threshold at room temperature, the absence of generation under diode pumping, and the low thermal conductivity of this material, which leads to strong local heating in the crystal pump region and cracking of the laser element at medium powers pump (1 W). The combination of these disadvantages does not allow the use of this laser substance in efficient miniature diode-pumped lasers.

Технической задачей изобретения является повышение КПД генерации лазера при диодной и лазерной накачке, снижение порога генерации, увеличение теплопроводности лазерного вещества, увеличение температурного диапазона работы лазера и расширение арсенала технических средств, реализующих генерацию на ионах туллия, в том числе работающих как в режиме непрерывной генерации, так и в режимах генерации и усиления коротких импульсов в диапазоне излучения от 1,9 мкм до 2,0 мкм. В конкретных формах выполнения задачей изобретения является также увеличение скорости выращивания кристалла и предотвращение растрескивания кристалла при изготовления и работе лазерных элементов, уменьшение пассивных потерь излучения на центрах рассеяния и малоугловых границах в диапазоне от 0,35 мкм до 2 мкм. An object of the invention is to increase the efficiency of laser generation under diode and laser pumping, lower the generation threshold, increase the thermal conductivity of the laser substance, increase the temperature range of the laser and expand the arsenal of technical means that implement generation of thulium ions, including those operating in the continuous generation mode, and in the modes of generation and amplification of short pulses in the radiation range from 1.9 μm to 2.0 μm. In specific embodiments, it is also an object of the invention to increase the crystal growth rate and prevent crystal cracking during the manufacture and operation of laser elements, to reduce passive radiation losses at scattering centers and small-angle boundaries in the range from 0.35 μm to 2 μm.

Технический результат достигается как вследствие изменения среднего ионного радиуса додекаэдра в кристаллической матрице, так и в следствие увеличение разницы между массой ионов ванадия и средней массой ионов, замещающих иттрий в додекаэдрических позициях в структуре ортованадата YVO4. При этом за счет изменения силы кристаллического поля удается смещать длину волны излучения лазеров, по сравнению с известными кристаллами гранатов и YVO4, легированных ионами туллия. Кроме того при изменении силы кристаллического поля увеличивается вероятность лазерного перехода 3H43H6 за счет более слабого расщепления уровней 3H4 и 3H6 для ионов Tm и участия в процессе генерации нескольких штарков. В свою очередь изменение степени расщепления лазерных уровней позволяет увеличить как ширину спектра люминесценции, так и сечение генерационного перехода. Дополнительного, за счет увеличение разницы ионных масс увеличивается длина пробега тепловых фононов по слоям ионов ванадия в направлении <110>, в результате чего повышается теплопроводность кристаллов путем замены "легких" Y3+ ионов на "тяжелые" (La3+, Gd3+, Lu3+, Er3+ и т.д.) ионы. Увеличение сечения генерационного перехода и теплопроводности лазерного вещества позволяет уменьшить толщину лазерного элемента (до 1 мм), что приводит к высокой плотности энергии накачки по всей длине лазерного элемента и, как следствие, к резкому увеличению КПД лазера, работающего по 3-х уровневой схеме, а также позволяет использовать для накачки стандартные AlGaAs-диоды, излучение которых можно эффективно сфокусировать только в тонких (менее 2 мм) лазерных элементах. Повышенная теплопроводность кристалла позволяет также значительно расширить температурный диапазон работы лазера с высоким КПД, вплоть до температур, существенно выше комнатной, а также увеличить скорость роста монокристаллических буль, благодаря отсутствию растрескивания кристалла при повышенных скоростных роста. Высокая теплопроводность уменьшает градиенты температуры по длине и сечение кристалла, а следовательно снижаются термоупругие напряжения, приводящие к растрескиванию кристалла.The technical result is achieved both due to a change in the average ionic radius of the dodecahedron in the crystalline matrix, and as a consequence, an increase in the difference between the mass of vanadium ions and the average mass of ions replacing yttrium in the dodecahedron positions in the structure of YVO 4 orthovanadate. In this case, due to a change in the strength of the crystalline field, it is possible to shift the wavelength of the laser radiation, in comparison with the known garnet and YVO 4 crystals doped with thulium ions. In addition, when the crystal field strength changes, the probability of a 3 H 43 H 6 laser transition increases due to weaker splitting of the 3 H 4 and 3 H 6 levels for Tm ions and the participation of several shutters in the generation process. In turn, a change in the degree of splitting of the laser levels makes it possible to increase both the width of the luminescence spectrum and the cross section of the lasing transition. Additionally, due to the increase in the ion mass difference, the mean free path of thermal phonons along the layers of vanadium ions in the <110> direction increases, as a result of which the thermal conductivity of crystals increases by replacing the “light” Y 3+ ions with “heavy” ones (La 3+ , Gd 3+ , Lu 3+ , Er 3+ , etc.) ions. An increase in the cross section of the lasing transition and thermal conductivity of the laser substance makes it possible to reduce the thickness of the laser element (up to 1 mm), which leads to a high pump energy density along the entire length of the laser element and, as a result, to a sharp increase in the efficiency of a laser operating according to a 3-level scheme, and also allows the use of standard AlGaAs diodes for pumping, the radiation of which can be effectively focused only in thin (less than 2 mm) laser elements. The increased thermal conductivity of the crystal can also significantly expand the temperature range of the laser with high efficiency, up to temperatures significantly higher than room temperature, as well as increase the growth rate of single-crystal boules, due to the absence of cracking of the crystal at high growth rates. High thermal conductivity reduces the temperature gradients along the length and the cross section of the crystal, and consequently, the thermoelastic stresses leading to cracking of the crystal are reduced.

В конкретных формах выполнения технический результат:
предотвращение растрескивания кристалла, как в процессе изготовления лазерных элементов, так и в процессе работы лазера, если для накачки используются мощные непрерывные диоды (1-20 Вт) или излучение нескольких диодов через волоконные системы,
уменьшение пассивных потерь излучения на центрах рассеяния и малоугловых границах в диапазоне от 0,35 мкм до 2 мкм
достигается путем дополнительного введения в вещество по крайней мере одного из элементов группы: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi.
In specific forms of implementation, the technical result:
preventing cracking of the crystal, both during the manufacturing of laser elements and during the operation of the laser, if high-power continuous diodes (1–20 W) or the emission of several diodes through fiber systems are used for pumping,
reduction of passive radiation losses at scattering centers and small-angle boundaries in the range from 0.35 μm to 2 μm
achieved by additional introduction into the substance of at least one of the elements of the group: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi.

Малоугловые границы в кристаллах ортованадатов возникают в процессе кристаллизации вследствие ячеистого роста кристалла из-за хорошо известного "концентрационного переохлаждения", которое обусловлено наличием в расплаве ионов V4+ и V3+. В результате образуются центры рассеяния, и оптическое качество кристаллов снижается из-за различия в показателях преломления в соседних областях кристалла, разделенных малоугловых границами. Кроме того испарение оксида ванадия с поверхности расплава, а также неустойчивость степени окисления ванадия +5, приводят к увеличению пассивного поглощения за счет возникновения в кристалле вакансий в кислородной подрешетке и образованию нежелательных центров окраски V4+ и V3+ в кристалле. Добавление в необходимом количество вещество ионов, имеющих устойчивую степень окисления +4, +5, +6 (например, Si, Ti, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Bi, W, Ge) используют снизить температуру плавления по сравнению с номинально чистым кристаллом ортованадата конгруэнтного состава (достаточно на 3-5oC) и устранить образование малоугловых границ в процессе роста кристаллов. Добавление в необходимом в лазерное вещество одно- и двухвалентных примесей, таких как Li, Mg, Ca, Na, B, Fe, Co, Ni, K, Cu, Be, Rb, Zn, Sr, стабилизируют степень окисления ванадия +5 и исключает образование центров окраски V4+ и V3+ в кристалле, кроме того предотвращает растрескивание кристалла в процессе резки и изготовления лазерных элементов, которое (растрескивание) вызывает ионы, имеющие устойчивую степень окисления +5, +6.Small-angle boundaries in orthovanadate crystals arise during crystallization due to the cellular growth of the crystal due to the well-known "concentration supercooling", which is due to the presence of V 4+ and V 3+ ions in the melt. As a result, scattering centers are formed, and the optical quality of the crystals decreases due to the difference in refractive indices in neighboring regions of the crystal separated by small-angle boundaries. In addition, the evaporation of vanadium oxide from the melt surface, as well as the instability of the oxidation state of vanadium +5, increase the passive absorption due to the appearance of vacancies in the crystal in the oxygen sublattice and the formation of undesirable color centers V 4+ and V 3+ in the crystal. Adding to the required amount of a substance ions having a stable oxidation state of +4, +5, +6 (for example, Si, Ti, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, Hf, Bi, W, Ge) use lower melting temperature compared with a nominally pure congruent orthovanadate crystal (3-5 ° C sufficient) and eliminate the formation of small-angle boundaries during crystal growth. The addition of mono- and divalent impurities in the required laser substance, such as Li, Mg, Ca, Na, B, Fe, Co, Ni, K, Cu, Be, Rb, Zn, Sr, stabilizes the oxidation state of vanadium +5 and eliminates the formation of color centers V 4+ and V 3+ in the crystal, in addition, prevents cracking of the crystal during the cutting and manufacture of laser elements, which (cracking) causes ions having a stable oxidation state of +5, +6.

Новое лазерное вещество на основе известного кристалла ортованадата (Y, Tm)1VO4, отличается тем, что кристалл имеет состав, который выражается химической формулой:
A1-0,4-xB0,4TmxVO4,
где
A по крайней мере один из элементов группы: La, Ce, Gd, Er, Yb, Lu, Nb, Sm, Tb, Du, Eu.
A new laser substance based on the well-known crystal of orthovanadate (Y, Tm) 1 VO 4 , differs in that the crystal has a composition that is expressed by the chemical formula:
A 1-0,4-x B 0,4 Tm x VO 4 ,
Where
A at least one of the elements of the group: La, Ce, Gd, Er, Yb, Lu, Nb, Sm, Tb, Du, Eu.

B по крайней мере один из элементов группы Y, Sc, La, Ce, Nb, Sm, Eu, Gd, Tb, Du, Er, Yb, Lu;
x от 0,005 ф.ед. до 0,25 ф.ед.
B at least one of the elements of the group Y, Sc, La, Ce, Nb, Sm, Eu, Gd, Tb, Du, Er, Yb, Lu;
x from 0.005 file units up to 0.25 f.ed.

Ограничение по количественному составу в позициях B объясняется резким уменьшением теплопроводности кристаллов при содержании в кристалле таких элементов как Y и Sc выше чем 0,4 ф. ед. Такое изменение теплопроводности приводит к уменьшению КПД и увеличению порога генерации, а также к уменьшению температурного диапазона работы лазера. The limitation in the quantitative composition at positions B is explained by a sharp decrease in the thermal conductivity of crystals when the content of elements such as Y and Sc in the crystal is higher than 0.4 ps. units Such a change in thermal conductivity leads to a decrease in efficiency and an increase in the generation threshold, as well as to a decrease in the temperature range of the laser.

Нижняя граница для туллия определяется тем, что при содержании Tm в количестве менее чем 0,005 ф. ед. эффективность генерации на двухмикронном переходе 3H43H6 ионов Tm3+ становится незначительной вследствие слабого поглощения энергии накачки. В результате чего КПД лазера становится низким (менее 1%).The lower limit for tollium is determined by the fact that when the content of Tm in an amount of less than 0.005 f. units the generation efficiency at the two-micron transition 3 H 43 H 6 of Tm 3+ ions becomes insignificant due to weak absorption of the pump energy. As a result, the laser efficiency becomes low (less than 1%).

Верхняя граница содержания туллия в кристалле определяется исходя из того, что при содержании туллия больше, чем 0,25 ф.ед. эффективность генерации снижается вследствие концентрационного тушения лазерного перехода 3H43H6 что выражается в резком снижении времени жизни верхнего лазерного уровня (более чем на порядок) за счет безызлучательных переходов, а в результате резком уменьшении КПД (менее 1%).The upper limit of the content of thallium in the crystal is determined on the basis that when the content of thallium is more than 0.25 f. lasing efficiency decreases due to concentration quenching of the 3 H 43 H 6 laser transition, which is expressed in a sharp decrease in the lifetime of the upper laser level (by more than an order of magnitude) due to nonradiative transitions, and as a result of a sharp decrease in efficiency (less than 1%).

Лазерное вещество, включающее тулий (Tm) в указанном количестве, дополнительно содержит по крайней мере один из элементов группы: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi в количестве от 1•1017 см-3 до 8•1020 см-3.The laser substance including thulium (Tm) in the indicated amount additionally contains at least one of the elements of the group: Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Sr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi in an amount of from 1 • 10 17 cm -3 to 8 • 10 20 cm -3 .

Нижняя граница для этих элементов определяется тем, что при концентрациях ниже указанного предела не наблюдается технического результата, заключающегося в предотвращении образования малоугловых границ и центров расстояния в растущем кристалле; уменьшении пассивных потерь излучения на центрах рассеяния и малоугловых границах в диапазоне от 0,35 мкм до 2 мкм в лазерном элементе, а также в предотвращении растрескивания кристалла в процессе изготовления и эксплуатации лазерного элемента. The lower boundary for these elements is determined by the fact that at concentrations below the specified limit there is no technical result consisting in preventing the formation of small-angle boundaries and distance centers in the growing crystal; reducing passive radiation losses at scattering centers and small-angle boundaries in the range from 0.35 μm to 2 μm in the laser element, as well as preventing cracking of the crystal during the manufacturing and operation of the laser element.

Верхняя граница для этих элементов определяется их максимально возможным содержанием в кристаллах ортованадатов. При содержании их выше указанного предела происходит образование мелких центров расстояния света ("тумана") в процессе послеростового отжига кристаллов, а в результате в резкому снижению КПД лазера. The upper boundary for these elements is determined by their maximum possible content of orthovanadates in crystals. When they are kept above the specified limit, the formation of small centers of the distance of light ("fog") occurs during post-growth annealing of crystals, and as a result, a sharp decrease in the laser efficiency.

На фиг. 1 представлен спектр поглощения кристалла N 6 для σ (c ⊥ E)- и π (c//E)-поляризаций. Аналогично кристаллам ванадата иттрия, новая активная среда имеет более гладкий и интенсивный спектр поглощения в диапазоне 800 нм, чем кристаллы (Y, Tm)3Al5O12 (аналог), что имеет определенные преимущества для диодной накачки.In FIG. Figure 1 shows the absorption spectrum of a N 6 crystal for σ (c ⊥ E) and π (c // E) polarizations. Similar to yttrium vanadate crystals, the new active medium has a smoother and more intense absorption spectrum in the 800 nm range than (Y, Tm) 3 Al 5 O 12 crystals (analog), which has certain advantages for diode pumping.

На фиг. 2 представлены результаты измерений теплопроводности кристалла N 2 в направлении <001> (ось C) и кристалла (Y, Tm)3Al5O12 (аналог) в направлении <001> в диапазоне температур 50-350 K. При 300 K теплопроводность новой активной среды легированной туллием составляет y 9,8 Вт/м•K; это больше, чем теплопроводность кристаллов (Y, Tm)3Al5O12, для которых y 8,9 Вт/м•K, и значительно больше, чем теплопроводность прототипа (Y, Tm)1VO4 y 5,2 Вт/м•K) (Справочник по лазерам, под редакцией А.М.Прохорова, Москва, 1978 г).In FIG. Figure 2 shows the results of thermal conductivity measurements of the N 2 crystal in the direction <001> (C axis) and the (Y, Tm) 3 Al 5 O 12 crystal (analog) in the <001> direction in the temperature range 50–350 K. At 300 K, the thermal conductivity of a new the active medium doped with thulium is y 9.8 W / m • K; this is more than the thermal conductivity of the crystals (Y, Tm) 3 Al 5 O 12 , for which y 8.9 W / m • K, and significantly more than the thermal conductivity of the prototype (Y, Tm) 1 VO 4 y 5.2 W / m • K) (Handbook of Lasers, edited by A.M. Prokhorov, Moscow, 1978).

На фиг. 3 для кристалла N 3 представлен спектр генерации ионов туллия Tm3+ при накачке лазерным диодом с длиной волны генерации 806 нм мощностью 2 Вт. Максимальная амплитуда излучения приходится на длину волны 1,921 мкм, в то время как для прототипа эта величина составляет 1,94 мкм. При этом более гладкий и широкий спектр излучения, чем у прототипа, говорят о возможности перестройки излучения на ионах туллия в диапазоне 1915 нм 1935 нм.In FIG. 3 for the N 3 crystal, the generation spectrum of Tm 3+ thulium ions is shown upon pumping by a laser diode with a generation wavelength of 806 nm with a power of 2 W. The maximum radiation amplitude occurs at a wavelength of 1.921 μm, while for the prototype this value is 1.94 μm. At the same time, a smoother and wider spectrum of radiation than that of the prototype indicates the possibility of tuning the radiation on thulium ions in the range of 1915 nm to 1935 nm.

На фиг. 4 представлена зависимость выходной энергии лазера на кристалле N 3 и на кристалле (Y, Tm)1VO4 (прототипе) от энергии накачки. Видно, что при накачке лазером на сапфире с титаном порог генерации предлагаемого лазерного вещества ниже, а КПД выше. Здесь же представлена зависимость выходной мощности монолитного ("микрочип") лазера на кристалле N 3 от мощности накачки лазерным диодом.In FIG. 4 shows the dependence of the output energy of a laser on a N 3 crystal and on a (Y, Tm) 1 VO 4 crystal (prototype) on the pump energy. It is seen that when the laser is pumped with a sapphire with titanium, the generation threshold of the proposed laser substance is lower, and the efficiency is higher. It also shows the dependence of the output power of a monolithic ("microchip") N 3 crystal laser on the pump power of a laser diode.

Результаты генерационных испытаний наглядно демонстрирует высокую эффективность предлагаемого лазерного вещества для миниатюрных лазеров с диодной накачкой. The results of generation tests clearly demonstrate the high efficiency of the proposed laser substance for miniature diode-pumped lasers.

Выращивание кристаллов ортованадатов осуществлялось по общей схеме посредством вытягивания из расплава. Например, для получения кристалла гадолиний-иттербий-туллий-европий-иттрий-скандивого ванадата, химическая формула Gd, Yb, TM}0,6[Eu, Y, Sc]0,4VO4, дополнительно содержащего калий и гафний, использовался следующий способ: исходные реактивы: оксид гадолиния, оксид иттербия, оксид туллия, оксид европия, оксид иттрия, оксид скандия и оксид ванадия тщательно перемешивали, прессовали в таблетки и синтезировали в платиновом тигле в течение 10 ч при 1200oC. Затем, посредством индукционного нагрева, таблетки расплавляли в иридиевом тигле в герметичной камере в атмосфере 98 объемных N2+2 объемных O2. Перед выращиванием в расплав добавляли K2CO3 и оксид гафния. Кристаллы вытягивали из расплава объемом 300 см3, со скоростью 4 мм/ч, частота вращения кристалла 40 об/мин. После отрыва выращенного кристалла от расплава кристалл постепенно охлаждался до комнатной температуре в течение 40 ч. Затем кристаллическая буля отжигалась на воздухе в течение 48 ч при температуре 1200oC.The growth of crystals of orthovanadates was carried out according to the general scheme by drawing from the melt. For example, to obtain a crystal of gadolinium-ytterbium-thallium-europium-yttrium-scandal vanadate, the chemical formula Gd, Yb, TM} 0.6 [Eu, Y, Sc] 0.4 VO 4 , additionally containing potassium and hafnium, the following was used method: starting reagents: gadolinium oxide, ytterbium oxide, thulium oxide, europium oxide, yttrium oxide, scandium oxide and vanadium oxide were thoroughly mixed, pressed into tablets and synthesized in a platinum crucible for 10 hours at 1200 ° C. Then, by induction heating tablets were melted in an iridium crucible in a sealed chamber in the atmosphere 98 vol. N 2 +2 vol. O 2 . Before growing, K 2 CO 3 and hafnium oxide were added to the melt. The crystals were drawn from the melt with a volume of 300 cm 3 at a speed of 4 mm / h, the crystal rotation frequency of 40 rpm. After the growth of the grown crystal from the melt, the crystal was gradually cooled to room temperature for 40 hours. Then, the crystalline boulevard was annealed in air for 48 hours at a temperature of 1200 o C.

Примеры конкретных составов выращенных кристаллов и прототипа приведены в таблице 1. Examples of specific compositions of the grown crystals and prototype are shown in table 1.

Для измерения спектров поглощения были изготовлены ориентированные образцы из кристалла N 5 с размерами 5х5х0,7 мм3.To measure the absorption spectra, oriented samples were made of N 5 crystal with dimensions 5x5x0.7 mm 3 .

Исследование спектров поглощения проводилось с использованием призмы Глана на автоматизированном спектрофотометре СФ-20. Как оказалось интенсивность поглощения предлагаемого вещества выше чем у прототипа, а интенсивное поглощение кристалла N 5 в области 806 нм свидетельствует о возможности использования стандартных лазерных диодов разработанных под ниодимсодеращие среды (808 нм). Последнее обстоятельство говорит о значительном преимуществе предлагаемого лазерного вещества перед известными лазерными средами с ионами туллия. The absorption spectra were studied using a Glan prism on an SF-20 automated spectrophotometer. As it turned out, the absorption intensity of the proposed substance is higher than that of the prototype, and the intense absorption of crystal N 5 in the region of 806 nm indicates the possibility of using standard laser diodes designed for niode-containing media (808 nm). The latter circumstance indicates a significant advantage of the proposed laser substance over known laser media with thulium ions.

Измерение теплопроводности кристаллов проводилось по стандартной методике, описанной в (Сирота Н.Н. Попов П.А. Сидоров А.А. Иванов И.А. Изв. АН БССР, Сер. физ.-мат. наук, 1990 г, с. 51-55). Экспериментальное изучение теплопроводности осуществлялось на ориентированных монокристаллических образцах граната (Y, Tm)3Al5O12 (аналог) и кристалле N 2, вырезанных в форме параллелепипедов размером 3х3х40 мм3. Погрешность определения теплопроводности не превышала 5% в исследуемом интервале температур 50-350 K.The thermal conductivity of the crystals was measured according to the standard method described in (Orphan N.N. Popov P.A. Sidorov A.A. Ivanov I.A. Izv. AN BSSR, Ser. Phys.-Math. Sciences, 1990, p. 51-55). The experimental study of thermal conductivity was carried out on oriented single-crystal samples of garnet (Y, Tm) 3 Al 5 O 12 (analogue) and an N 2 crystal cut in the form of parallelepipeds 3 × 3 × 40 mm 3 in size. The error in determining the thermal conductivity did not exceed 5% in the studied temperature range of 50-350 K.

Экспериментальные исследования генерационных характеристик проводились на активных элементах изготовленных из кристалла N 3. Размер активных элементов: диаметр 5 мм и длина 1 мм. Для сравнения параметров лазерного излучения активные элементы аналогичного размера изготавливались из кристалла ортованадата иттрия Y, Tm}1VO4 прототип. Один из торцов активного элемента (АЭ) был плоским, другой имел вогнутою сферическую поверхность с радиусом кривизны 500 см. На эти торцы наносились сложные - дихроичные покрытия со следующими параметрами: отражение R на длине волны l 800 нм (± 10 нм) R800<2% и пропускание T на l 1950 нм (±50 нм) T1950<0,2% -для плоской поверхности; T800<0,2% и T1950=2,4% для вогнутой поверхности.Experimental studies of the generation characteristics were carried out on active elements made of crystal N 3. The size of the active elements: diameter 5 mm and length 1 mm. To compare the parameters of laser radiation, active elements of a similar size were made of a yttrium orthovanadate crystal Y, Tm} 1 VO 4 prototype. One of the ends of the active element (AE) was flat, the other had a concave spherical surface with a radius of curvature of 500 cm. Complex - dichroic coatings with the following parameters were applied to these ends: reflection of R at a wavelength l 800 nm (± 10 nm) R 800 < 2% and transmittance T at l 1950 nm (± 50 nm) T 1950 <0.2% for a flat surface; T 800 <0.2% and T 1950 = 2.4% for a concave surface.

Исследования генерационных характеристик лазеров на кристаллеY, Tm}1VO4 прототип и на кристалле N 3 проводились с использованием следующей схемы. Накачка лазерных элементов осуществлялась в полосу поглощения l 806 нм (см. фиг. 1), соответствующего переходу 3H43H6 В качестве источников накачки использовались как Ti-сапфировый лазер, так и полупроводниковый лазер. Выходное излучение обоих лазеров модулировалось с частотой 20 Гц при скважности 2. Излучение этих лазеров фокусировалось в активном элементе в пятно диаметров 25 мкм для Ti-лазера и в пятно с размерами 20х75 мкм для диодного лазера. Мощность излучения накачки достигла 1,2 Вт. Для контролирования длины волны излучения использовался монохроматор. Излучение после монохроматора регистрировалось фотоприемником на PbS, сигнал с которого автоматически обрабатывался и фиксировался компьютером. Выходные характеристики лазера на кристалле N 3 слабо зависели от длины волны излучения накачки, что хорошо согласуется с относительно широким спектром поглощения ионов туллия (фиг. 1). В условиях наших экспериментов оптимальная для накачки была длина волны 806±2 нм. Отметим, что эта длина волны практически совпадает с пиком поглощения для накачки неодимовых лазеров, тем самым, эффективная накачка тулиевого лазера возможна широко распространенными и дешевыми лазерными диодами, используемых для накачки ионов неодима Nd3+ при температуре 20oC. В наших экспериментах использовался стандартный SDL диод при температуре 2oC.Studies of the lasing characteristics of Y, Tm} 1 VO 4 crystal lasers and a N 3 crystal were carried out using the following scheme. The laser elements were pumped into the absorption band l 806 nm (see Fig. 1), corresponding to the 3 H 43 H 6 transition. Both Ti-sapphire laser and semiconductor laser were used as pump sources. The output radiation of both lasers was modulated at a frequency of 20 Hz with a duty cycle of 2. The radiation of these lasers was focused in the active element into a spot with a diameter of 25 μm for a Ti laser and a spot with a size of 20 × 75 μm for a diode laser. The pump radiation power reached 1.2 watts. A monochromator was used to control the radiation wavelength. The radiation after the monochromator was recorded by a PbS photodetector, the signal from which was automatically processed and recorded by a computer. The output characteristics of a N 3 crystal laser depended weakly on the pump radiation wavelength, which is in good agreement with the relatively wide absorption spectrum of thulium ions (Fig. 1). In our experiments, the optimal wavelength for pumping was 806 ± 2 nm. Note that this wavelength practically coincides with the absorption peak for pumping neodymium lasers; therefore, effective pumping of a thulium laser is possible with widely used and cheap laser diodes used to pump Nd 3+ neodymium ions at a temperature of 20 o C. In our experiments, we used the standard SDL diode at a temperature of 2 o C.

Спектр излучения лазера на кристалле N 3 был измерен с помощью монохроматора. Экспериментально измеренный спектр излучения лазера на кристалле N 3 представлен на фиг. 3, точность измерений составила 1 нм. Линия генерации имеет сравнительно плоскую вершину с максимумом на длине волны 1923нм. Относительно большая ширина спектра излучения представляет возможность осуществить перестраиваемую генерацию на ионах туллия. The emission spectrum of a N 3 crystal laser was measured using a monochromator. The experimentally measured emission spectrum of a N 3 crystal laser is shown in FIG. 3, the measurement accuracy was 1 nm. The generation line has a relatively flat top with a maximum at a wavelength of 1923nm. The relatively large width of the radiation spectrum makes it possible to realize tunable generation by thulium ions.

При накачке излучением Ti-спфирового лазера порог генерации лазера на кристалле N 3 составлял примерно 174 мВт. Средняя выходная мощность излучения лазера достигала 125 мВт при дифференциальном КПД 36% Однако, в течение коротких интервалов времени удалось зафиксировать максимальную мощность выходного излучения 180 мВт, что соответствует абсолютному КПД 36% и дифференциальному КПД 55% Нестабильность работы лазера при больших мощностях выходного излучения, как оказалось, была обусловлена некачественным покрытием выходного зеркала, которое разрушалось при мощности выходного излучения свыше 125 мВт. Для сравнения на фиг. 4 приведена зависимость мощности выходного излучения лазера на кристалле (Y, Tm)1VO4 от поглощенной мощности накачки Ti сапфирового лазера. В случае кристалла (Y, Tm)1VO4 порог генерации составил 370 мВт, дифференциальный КПД 25%
При накачке лазерным диодом дифференциальный КПД лазера на кристалле N 3 составил 10% (фиг. 4). Наибольшая мощность выходного излучения достигала 43 мВт при накачке 1,18 Вт. Снижение эффективности генерации при накачке лазерным диодом по сравнению с накачкой Ti-сапфировым лазером хорошо согласуется с увеличением размеров области фокусировки излучения накачки в АЭ.
When radiation was pumped by a Ti-spherical laser, the generation threshold for a N 3 crystal laser was approximately 174 mW. The average output power of the laser radiation reached 125 mW with a differential efficiency of 36%. However, for short intervals of time it was possible to fix the maximum output power of 180 mW, which corresponds to an absolute efficiency of 36% and a differential efficiency of 55%. Instability of the laser at high output powers, such as It turned out to be due to poor-quality coating of the output mirror, which was destroyed when the output radiation power was more than 125 mW. For comparison, in FIG. Figure 4 shows the dependence of the output power of a laser on a (Y, Tm) 1 VO 4 crystal on the absorbed pump power Ti of a sapphire laser. In the case of a (Y, Tm) 1 VO 4 crystal, the generation threshold was 370 mW, and the differential efficiency was 25%
When pumped by a laser diode, the differential efficiency of the N 3 crystal laser was 10% (Fig. 4). The highest output radiation power reached 43 mW with a pumping rate of 1.18 watts. A decrease in the lasing efficiency when pumped by a laser diode as compared to pumping with a Ti-sapphire laser is in good agreement with an increase in the size of the focus area of the pump radiation in the AE.

Необходимо отметить, что АЭ в лазерных экспериментах работали без водяного охлаждения, а это приводило к локальному разговору области накачки до 120oC.It should be noted that AEs in laser experiments worked without water cooling, and this led to a local conversation in the pump region up to 120 o C.

Для сравнения основные свойства выращенных кристаллов и прототипа, а также результаты лазерных испытаний приведены в таблице 2.3 For comparison, the main properties of the grown crystals and the prototype, as well as the results of laser tests are shown in table 2.3

Claims (1)

Лазерное вещество на основе кристалла ортованадата иттрия, содержащего тулий Tm, отличающееся тем, что оно имеет состав, описываемый химической формулой
A1-0,4-x B0,4Tmx VO4,
где А по крайней мере один из элементов группы La, Cl, Gd, Er, Yb, Lu, Nd, Sm, Tb, Du, Eu;
В по крайней мере один из элементов группы Y, Sc, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Du, Er, Yb, Lu;
х 0,005 0,25 ф.ед.
A laser substance based on a crystal of yttrium orthovanadate containing thulium T m , characterized in that it has a composition described by the chemical formula
A 1 - 0 , 4 - x B 0 , 4 Tm x VO 4 ,
where A is at least one of the elements of the group La, Cl, Gd, Er, Yb, Lu, Nd, Sm, Tb, Du, Eu;
In at least one of the elements of the group Y, Sc, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Du, Er, Yb, Lu;
x 0.005 0.25 f.
и дополнительно содержит по крайней мере один из элементов группы Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi в количестве от 1 • 1017 до 5 • 1020 см-3.and further comprises at least one of the elements of the group Li, Be, B, Na, Ca, Mg, Si, K, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Rb, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Hf, Bi in an amount from 1 • 10 1 7 to 5 • 10 2 0 cm - 3 .
RU96116357A 1996-08-08 1996-08-08 Laser material RU2106050C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96116357A RU2106050C1 (en) 1996-08-08 1996-08-08 Laser material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96116357A RU2106050C1 (en) 1996-08-08 1996-08-08 Laser material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2106050C1 true RU2106050C1 (en) 1998-02-27
RU96116357A RU96116357A (en) 1998-12-27

Family

ID=20184378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96116357A RU2106050C1 (en) 1996-08-08 1996-08-08 Laser material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2106050C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. V.G. Ostroumov et al Optics Communications, 1996, 124, 63-68. 2. H. Saito et al. Optics Letters, 1992, v.17, N 3, p.189-191. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Petit et al. CW and tunable laser operation of Yb 3+ doped CaF 2
US5140604A (en) Mixed strontium and lanthanide oxides and a laser using monocrystals of these oxides
Lu et al. Highly efficient 2% Nd: yttrium aluminum garnet ceramic laser
US5105434A (en) AlGaAs diode pumped tunable chromium lasers
Fan et al. End-pumped Nd: LaF/sub 3/and Nd: LaMgAl/sub 11/O/sub 19/lasers
Koetke et al. Quasi-continuous wave laser operation of Cr4+-doped Y2SiO5 at room temperature
Doualan et al. Latest developments of bulk crystals and thin films of rare-earth doped CaF2 for laser applications
Mirov et al. Diode and fibre pumped Cr2+: ZnS mid-infrared external cavity and microchip lasers
García-Cortés et al. Raman Scattering and Nd $^{3+} $ Laser Operation in NaLa (WO $ _ {4} $) $ _ {2} $
Lagatskii et al. Lasing characteristics of a diode-pumped Nd3+: CaGdAlO4 crystal
US20030007520A1 (en) Cobalt-doped saturable absorber Q-switches and laser systems
Ryba-Romanowski et al. Anisotropy of optical properties of SrLaAlO4 and SrLaAlO4: Nd
US20070045597A1 (en) Cr3+-doped laser materials and lasers and methods of making and using
RU2106050C1 (en) Laser material
Bagdasarov et al. Continuous lasing in La1–xNDxMgAl11O19 crystals
Larionov et al. Thin disk laser operation and spectroscopic characterization of Yb-doped sesquioxides and potassium tungstates
Yan-Li et al. High efficient laser operation of the high-doped Nd: YAG crystal grown by temperature gradient technology
RU2095900C1 (en) Laser material
Dischler et al. Investigation of the laser materials YAlO3: Er and LiYF4: Ho
Kong et al. Diode-pumped Yb: Y2O3 ceramic laser
Song et al. Spectra characteristics of novel Er: Yb phosphate glass
US5416789A (en) Neodymium-doped gehlenite crystal and laser using said crystal
EP0339896A2 (en) Laser crystals for generating infrared emission with high quality beam penetration
Gorbachenya et al. CW YVO 4: Er laser with resonant pumping
Bazylev et al. Laser performance of Cr3+:(Gd, Ca) 3 (Ga, Mg, Zr) 2Ga3O12