RU2114495C1

RU2114495C1 - Passive q-switch material

Info

Publication number: RU2114495C1
Application number: RU97108747A
Authority: RU
Inventors: Р.М. Бойко; Н.С. Гонтарь; О.А. Горленко; А.Г. Охримчук; А.В. Шестаков
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственный Центр "ЭЛС"
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 1998-06-27

Abstract

FIELD: laser engineering materials such as those for producing passive Q-switches or isolating systems for multistage generators. SUBSTANCE: material proposed for passive Q-switches of lasers is transparent glass ceramic with normal-spinel crystalline phase and Co²⁺ ion impurity of 0.005 to 0.2 mass percent. EFFECT: reduced intensity of absorption saturation; facilitated manufacture. 1 dwg , 2 tbl

Description

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности к материалам для изготовления пассивных лазерных затворов или систем развязки многокаскадных генераторов. The invention relates to materials of laser technology, in particular to materials for the manufacture of passive laser shutters or decoupling systems for multi-stage generators.

Для создания импульсных твердотельных лазеров, излучающих импульсы длительностью 0,5 - 100 нс, используется режим модуляции добротности резонатора лазера. Для модуляции добротности резонаторов твердотельных лазеров, работающих в диапазоне длин волн 1,5 мкм, используются пассивные лазерные затворы на основе кристаллов фторидов кальция и стронция с примесью ионов урана U: CaF₂, U: SrF₂, [1 и 2], кристалла селенида цинка с примесью ионов кобальта Co:ZnSe [3 и 4] и кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната с примесью ионов кобальта Co:YSGG [5]. Процесс модуляции добротности резонатора с помощью затворов из упомянутых кристаллов основан на свойстве насыщающегося поглощения в области 1,5 мкм. Насыщающееся поглощение в этих кристаллах обусловлено электронными и электронно-колебательными переходами в примесных ионах U⁴⁺ или Co²⁺.To create pulsed solid-state lasers emitting pulses with a duration of 0.5 - 100 ns, the mode of Q-switching of the laser resonator is used. To modulate the quality factor of resonators of solid-state lasers operating in the wavelength range of 1.5 μm, passive laser gates based on crystals of calcium fluoride and strontium with an admixture of uranium ions U: CaF ₂ , U: SrF ₂ , [1 and 2], selenide crystal are used zinc with an admixture of cobalt ions Co: ZnSe [3 and 4] and a crystal of yttrium-scandium-gallium garnet with an admixture of cobalt ions Co: YSGG [5]. The process of modulating the quality factor of the resonator using gates from the above crystals is based on the property of saturable absorption in the region of 1.5 μm. Saturable absorption in these crystals is due to electronic and electron-vibrational transitions in impurity ions U ⁴⁺ or Co ²⁺ .

Выращивание монокристаллов фторидов и селенидов приводят из газовой фазы, гидротермальным способом, кристаллизацией из расплава методом Бриджмена-Стокбаргера. Каждый из указанных способов требует специального оборудования с дорогостоящей футеровкой и создания определенных условий: вакуума или давления, атмосферы инертного газа. Производство монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната Co:YSGG является дорогостоящим из-за необходимости использования иридиевых тиглей, значительной трудоемкости и высоких энергозатрат при выращивании кристаллов. Single crystals of fluorides and selenides are grown from the gas phase by the hydrothermal method, crystallization from melt by the Bridgman-Stockbarger method. Each of these methods requires special equipment with expensive lining and the creation of certain conditions: vacuum or pressure, inert gas atmosphere. The production of single crystals of gadolinium-scandium-gallium garnet Co: YSGG is expensive due to the need to use iridium crucibles, significant laboriousness and high energy consumption when growing crystals.

Известна прозрачная стеклокерамика с кристаллической фазой ганита, содержащая примесные ионы кобальта Co²⁺ [6].Known transparent glass ceramics with a crystalline phase of ganite containing impurity ions of cobalt Co ²⁺ [6].

Исследование поглощения этого вещества в области 1,2 - 1,6 мкм показали, что величина параметра насыщения поглощения не велика, однако в состоянии насыщения поглощения присутствует большое остаточное поглощение. Это препятствует использованию этого материала в пассивных лазерных затворах. Причина большого остаточного поглощения связана с большой концентрацией примеси оксида CoO, предложенной в [6] (до 1 мас.%), что приводит к образованию дополнительных типов поглощающих в области длин волн 1,5 мкм центров с участием ионов Co²⁺, но интенсивность насыщения поглощения этих дополнительных центров велика для использования материала в лазерах.A study of the absorption of this substance in the region of 1.2 - 1.6 μm showed that the absorption saturation parameter is not large, but in the absorption saturation state there is a large residual absorption. This prevents the use of this material in passive laser shutters. The reason for the large residual absorption is associated with the high concentration of the CoO oxide impurity proposed in [6] (up to 1 wt.%), Which leads to the formation of additional types of centers absorbing in the wavelength range of 1.5 μm involving Co ^{2+ ions} , but the intensity The saturation absorption of these additional centers is great for using the material in lasers.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является кристалл иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов кобальта Co: Y₃Al₅O₁₂. Интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,54 мкм для данного кристалла составляет 100 МВт/см² [5].The closest to the proposed set of essential features is a crystal of yttrium-aluminum garnet with an admixture of cobalt ions Co: Y ₃ Al ₅ O ₁₂ . The absorption saturation intensity at a wavelength of 1.54 μm for this crystal is 100 MW / cm ² [5].

Из-за большой величины интенсивности насыщения поглощения в веществе-прототипе приходится использовать фокусирующие линзы для создания необходимой для открытия затвора интенсивности генерируемого излучения. Это усложняет конструкцию резонатора и предъявляет повышенные требования к элементам резонатора по стойкости к излучению. Кроме того, производство монокристаллов иттрий-алюминиевого граната Co:Y₃Al₅O₁₂ как и Co:GSGG является дорогостоящим.Due to the large magnitude of the intensity of absorption saturation in the prototype substance, it is necessary to use focusing lenses to create the radiation intensity necessary to open the shutter. This complicates the design of the resonator and places high demands on the elements of the resonator in terms of radiation resistance. In addition, the production of single crystals of yttrium aluminum garnet Co: Y ₃ Al ₅ O ₁₂ like Co: GSGG is expensive.

Задачей изобретения является создание вещества для пассивных лазерных затворов для области длин волн 1,2 - 1,6 мкм, обладающего низкой интенсивностью насыщения поглощения и технологичного в производстве. The objective of the invention is the creation of substances for passive laser shutters for the wavelength region of 1.2 - 1.6 microns, which has a low absorption saturation intensity and is technologically advanced in production.

Для решения этой задачи нами предлагается новое вещество для пассивных лазерных затворов - прозрачная стеклокерамика с кристаллической фазой номинальной шпинели и примесью ионов Co²⁺ от 0,005 до 0,2 мас.%.To solve this problem, we propose a new substance for passive laser shutters - transparent glass-ceramic with a crystalline phase of nominal spinel and an admixture of Co ^{2+ ions} from 0.005 to 0.2 wt.%.

Нормальная шпинель - кристаллическое соединение со структурой шпинелей и с общей формулой AB₂O₄, где A - тетраэдрически координированный двухвалентный катион, B - октаэдрически координированный трехвалентный катион. Ионы Co²⁺, замещающие в этом кристалле ионы двухвалентного металла, поглощают излучение в области 1,2 - 1,6 мкм.Normal spinel is a crystalline compound with a spinel structure and with the general formula AB ₂ O ₄ , where A is a tetrahedrally coordinated divalent cation, B is an octahedrally coordinated trivalent cation. Co ^{2+ ions} , replacing divalent metal ions in this crystal, absorb radiation in the region of 1.2 - 1.6 microns.

На чертеже представлен спектр поглощения характерного представителя этого класса веществ - стеклокерамики с кристаллической фазой ганита ZnAl₂O₄ и примесью ионов Co²⁺. Полоса поглощения в области 1,2 - 1,6 мкм обусловлена электронно-колебательным переходом между основным состоянием ⁴A₂ и возбужденным ⁴T₁.The drawing shows the absorption spectrum of a characteristic representative of this class of substances - glass ceramics with a crystalline phase of ZnAl ₂ O ₄ ganite and an admixture of Co ^{2+ ions} . The absorption band in the region of 1.2 - 1.6 μm is due to the electronic-vibrational transition between the ground state of ⁴ A ₂ and the excited ⁴ T ₁ .

Нами были проведены исследования насыщения поглощения предлагаемых веществ. В результате установлено, что интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,54 мкм не более 30 МВт/см². Небольшая, по сравнению с прототипом, величина интенсивности насыщения обусловлена относительно большой величиной дифференциального сечения поглощения, которое составляет около 3 • 10^-19 см², и относительно низкой вероятностью безызлучательной релаксации возбужденного состояния иона Co²⁺.We have conducted studies on the saturation of the absorption of the proposed substances. As a result, it was found that the intensity of absorption saturation at a wavelength of 1.54 μm is not more than 30 MW / cm ² . A small, in comparison with the prototype, value of the saturation intensity is due to the relatively large value of the differential absorption cross section, which is about 3 • 10 ^-19 cm ² , and the relatively low probability of non-radiative relaxation of the excited state of the Co ^{2+ ion} .

Высокая величина сечения поглощения обеспечивается тем, что ионы Co²⁺ находятся в кристаллическом поле точечной группы симметрии T_d. Из-за отсутствия операции инверсии в этой точечной группе симметрии разрешен электродипольный переход ⁴A₂-⁴T₁ , который отвечает за поглощение в области 1,2 - 1,6 мкм. С другой стороны, высокая кубическая симметрия тетраэдрической позиции в решетке нормальной шпинели обеспечивает относительно низкую вероятность безызлучательной релаксации с возбужденного уровня ⁴T₁ . В совокупности эти два фактора обеспечивают небольшую величину интенсивности насыщения поглощения и, следовательно, возможность использования этого вещества для изготовления пассивного лазерного затвора.The high absorption cross section is ensured by the fact that Co ^{2+ ions} are in the crystal field of the point group of symmetry T _d . Due to the lack of an inversion operation in this point symmetry group, the ⁴ A ₂ - ⁴ T ₁ electric dipole transition is allowed, which is responsible for the absorption in the region of 1.2 - 1.6 μm. On the other hand, the high cubic symmetry of the tetrahedral position in the lattice of normal spinel provides a relatively low probability of nonradiative relaxation from an excited level of ⁴ T ₁ . Together, these two factors provide a small amount of absorption saturation intensity and, therefore, the possibility of using this substance for the manufacture of a passive laser shutter.

При концентрации примеси оксида кобальта CoO более 0,2% образуются дополнительные центры с большой величиной параметра насыщения, что приводит к большому остаточному поглощению в состоянии насыщения поглощения. Это препятствует использованию данного вещества с концентрацией примеси оксида кобальта CoO более 0,2% в пассивных лазерных затворах. When the concentration of the cobalt oxide CoO impurity is more than 0.2%, additional centers are formed with a large value of the saturation parameter, which leads to a large residual absorption in the state of absorption saturation. This prevents the use of this substance with an impurity concentration of cobalt oxide CoO of more than 0.2% in passive laser shutters.

При концентрации примеси оксида кобальта CaO менее 0,005% из-за малости коэффициента поглощения неоправданно возрастает длина затвора, необходимая для получения требуемой величины начального пропускания. At a concentration of CaO cobalt oxide impurity of less than 0.005%, due to the small absorption coefficient, the gate length necessary to obtain the required initial transmittance unreasonably increases.

Для того чтобы подтвердить возможность осуществления изобретения, были изготовлены шесть образцов пассивных лазерных затворов из стеклокерамики с разным химическим составом в соответствии с формулой изобретения. Основой для получения стеклокерамического материала были выбраны стекла систем MgO-Al₂O₃-SiO₂ и ZnO-Al₂O₃-SiO₂, составы которых приведены в табл. 1.In order to confirm the possibility of carrying out the invention, six samples of passive laser shutters were made of glass-ceramic with different chemical compositions in accordance with the claims. Glasses of the MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ and ZnO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ systems, the compositions of which are given in Table ₁ , were selected as the basis for the production of glass-ceramic material. 1.

Стекла варили из сырья марки ОСЧ или ХЧ в кварцевых тиглях объемом 200 или 1000 мл в электропечи при 1550 - 1600^oC в течение 2 - 5 ч. Формование стекол осуществляется литьем. Для получения прозрачного стеклокерамического материала стекла подвергали термической обработке в области температур 700 - 1000^oC с шагом 100^oC и выдержкой на каждой ступени по 4 ч. В процессе термообработки в объеме стекла образцов NN 1, 2 и 3 вырастали микрокристаллы магниевой шпинели с примесью ионов кобальта MgAl₂O₄:Co²⁺, а в объеме стекла образцов N 4, 5 и 6 вырастали микрокристаллы ганита с примесью ионов кобальта ZnAl₂O₄:Co²⁺. Из полученных материалов были изготовлены пассивные затворы в виде плоскопараллельных пластинок с двумя типами антиотражающих покрытий либо на длину волны 1,54 мкм, либо на длину волны 1,32 мкм.Glasses were cooked from raw materials of the OSCh or KhCh brand in quartz crucibles with a volume of 200 or 1000 ml in an electric furnace at 1550 - 1600 ^o C for 2 - 5 hours. Glass forming is carried out by casting. To obtain a transparent glass-ceramic material, the glasses were subjected to heat treatment in the temperature range of 700 - 1000 ^o C with a step of 100 ^o C and exposure at each step for 4 hours. During the heat treatment in the glass volume of samples NN 1, 2 and 3, magnesium crystals of spinel admixture grew cobalt ions MgAl ₂ O ₄ : Co ²⁺ , and ganite microcrystals mixed with cobalt ions ZnAl ₂ O ₄ : Co ²⁺ grew in the glass volume of samples Nos. 4, 5, and 6. From the obtained materials, passive shutters in the form of plane-parallel plates with two types of antireflection coatings were made either at a wavelength of 1.54 μm or at a wavelength of 1.32 μm.

Для генерации импульсов излучения в режиме модуляции добротности полученные образцы помещались или в резонатор лазера на стекле с ионами эрбия Fr³⁺ с ламповой накачкой, или в резонатор лазера на кристалле иттрий-алюминиевого граната с ионами неодима Y₃Al₅O₁₂:Nd с ламповой накачкой. В первом случае при энергии накачки 7 Дж были получены моноимпульсы излучения на длине волны 1,54 мкм, соответствующие режиму модуляции добротности. Во втором случае при энергии накачки 30 Дж были получены моноимпульсы излучения на длине волны 1,32 мкм, соответствующие режиму модуляции добротности. Параметры импульсов излучения обоих лазеров приведены в табл. 2.To generate radiation pulses in the Q-switching mode, the obtained samples were placed either in a lamp laser pumped on a glass laser with Erbium Fr ³⁺ ions or in a laser resonator on a yttrium aluminum garnet crystal with Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : Nd neodymium ions with a lamp pumped. In the first case, at a pump energy of 7 J, mono-pulses of radiation at a wavelength of 1.54 μm corresponding to the Q-switching mode were obtained. In the second case, at a pump energy of 30 J, monopulses of radiation at a wavelength of 1.32 μm, corresponding to the Q-switching mode, were obtained. The parameters of the radiation pulses of both lasers are given in table. 2.

Для производства предлагаемого вещества для пассивного затвора не требуется разработки специального оборудования. Его получают традиционными методами стекловарения, что обеспечивает снижение затрат при производстве предлагаемого материала. Применение пассивного затвора из предлагаемого вещества не требует специальных фокусирующих элементов в резонаторе лазера. For the production of the proposed substance for the passive shutter does not require the development of special equipment. It is obtained by traditional glass melting methods, which reduces costs in the production of the proposed material. The use of a passive shutter of the proposed substance does not require special focusing elements in the laser cavity.

Литература
1. R.D.Stultz, M.B. Camargo, S.T. Montgomery, M. Birnbaum, K. Spariosu, Appl. Phys. Lett., V. 64, p. 948, 1994.Literature
1. RD Stultz, MB Camargo, ST Montgomery, M. Birnbaum, K. Spariosu, Appl. Phys. Lett., V. 64, p. 948, 1994.

2. R.D. Stultz, M.B. Camargo, M.Birnbaum, J. Appl. Physics., V. 78 (5), p. 2959, 1995. 2. R.D. Stultz, M.B. Camargo, M. Birnbaum, J. Appl. Physics., V. 78 (5), p. 2959, 1995.

3. D.L. Deloach; R.H. Page, G.D. Wilke, S.A. Payne, W.F. Krupke, IEEE J. Quant. Electronics, V. 32 (6), p. 885, 1996. 3. D.L. Deloach; R.H. Page, G.D. Wilke, S.A. Payne, W.F. Krupke, IEEE J. Quant. Electronics, V. 32 (6), p. 885, 1996.

4. M. Birnbaum, M.B. Camargo, S. Lee, F. Unlu, R.D. Stultz, "Co²⁺: ZnSe Saturable Absorber Q-switch for the 1.54 μm Er³⁺:Yb³⁺: Glass Laser", Technical Digest of Advanced Solid State Lasers Topical Meeting, Jan. 27-29, 1997, Orlando, Florida. ME7.4. M. Birnbaum, MB Camargo, S. Lee, F. Unlu, RD Stultz, "Co ²⁺ : ZnSe Saturable Absorber Q-switch for the 1.54 μm Er ³⁺ : Yb ³⁺ : Glass Laser", Technical Digest of Advanced Solid State Lasers Topical Meeting, Jan. 27-29, 1997, Orlando, Florida. ME7.

5. M.B. Camargo, R.D. Stultz, and M. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20(3), p. 339, 1995 - прототип. 5. M.B. Camargo, R. D. Stultz, and M. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20 (3), p. 339, 1995 - prototype.

6. Патент РФ N 1811512. Стекло для прозрачного стеклокерамического материала на основе ганита. 6. RF patent N 1811512. Glass for a transparent glass-ceramic material based on ganite.

Claims

A substance for a passive laser shutter operating in the wavelength range of 1.2 - 1.6 μm, containing Co ^{2+ ions} , characterized in that it is a transparent glass ceramic with a crystalline phase of normal spinel and contains from 0.005 to 0.2 wt.% cobalt oxide CoO.