RU2362844C1 - Лазерное вещество - Google Patents

Лазерное вещество Download PDF

Info

Publication number
RU2362844C1
RU2362844C1 RU2007144899/15A RU2007144899A RU2362844C1 RU 2362844 C1 RU2362844 C1 RU 2362844C1 RU 2007144899/15 A RU2007144899/15 A RU 2007144899/15A RU 2007144899 A RU2007144899 A RU 2007144899A RU 2362844 C1 RU2362844 C1 RU 2362844C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
crystals
yttrium
ytterbium
fluorides
Prior art date
Application number
RU2007144899/15A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Владимирович Семашко (RU)
Вадим Владимирович Семашко
Алексей Сергеевич Низамутдинов (RU)
Алексей Сергеевич Низамутдинов
Александр Кондратьевич Наумов (RU)
Александр Кондратьевич Наумов
Стелла Леонидовна Кораблева (RU)
Стелла Леонидовна Кораблева
Владимир Николаевич Ефимов (RU)
Владимир Николаевич Ефимов
Original Assignee
ГОУВПО Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина
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 ГОУВПО Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина filed Critical ГОУВПО Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина
Priority to RU2007144899/15A priority Critical patent/RU2362844C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2362844C1 publication Critical patent/RU2362844C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра. Лазерное вещество на основе кристалла фторидов лития и лютеция, активированного трехвалентными ионами церия, дополнительно содержит фториды иттрия и иттербия в соответствии с химической формулой LiLu1-xYxYbyF4:Ce, где х=0,5-0,8, у=0-0,05. Изобретение позволяет уменьшить влияние эффекта соляризации активной среды под действием излучения накачки на ее лазерные характеристики, расширить диапазон перестройки частоты лазерной генерации, увеличить концентрацию ионов церия в кристаллах лития-лютеция и значение удельного съема энергии лазерного излучения. 1 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра.
Известно, что кристаллы двойных фторидов состава LiYF4 и LiLuF4, активированные ионами Се3+, являются рабочими материалами квантовой электроники ультрафиолетового диапазона [1], [2]. Общим недостатком этих материалов является низкий коэффициент вхождения активных ионов, относящихся к цериевой подгруппе ряда лантаноидов, обусловленный их неизоморфностью по отношению к катионам данной кристаллической решетки (ионам Y3+ и Lu3+) вследствие различий в ионных радиусах примеси и катиона. При этом активация кристаллов двойных фторидов лития-иттрия или лития-лютеция ионами церия способствует образованию дефектов кристаллической структуры и соляризации (образованию центров окраски) этих материалов под действием УФ-излучения накачки. Из-за образования центров окраски эти активные материалы деградируют в процессе работы, что проявляется в снижении КПД и уменьшении диапазона перестройки частоты УФ-лазерной генерации. Более того, при некоторых условиях лазерная генерация на этих активных средах вообще не может быть получена [3].
Наиболее близким аналогом, выбранном в качестве прототипа по совокупности совпадения характерных признаков и достигаемых результатов, является лазерное вещество на основе кристаллов двойных фторидов лития-лютеция, активированных ионами церия и соактивированных ионами иттербия [4].
Недостатками прототипа являются:
1) соактивация кристаллов прототипа ионами иттербия приводит к снижению квантового выхода люминесценции ионов церия и квантового КПД лазерной генерации;
2) соактивация кристаллов LiLuF4:Се3+ ионами Yb3+ не обеспечивает достаточное подавление образования центров окраски под действием излучения накачки в области длинноволнового крыла спектра люминесценции ионов церия (λ>330 нм), что и приводит к зауженному, по сравнению с теоретически возможным, диапазону перестройки частоты лазерной генерации (в пределах ~ 305÷332 нм);
3) низкий коэффициент вхождения ионов церия в эти кристаллы, оказывающийся в 1.3 раза меньше, чем, например, в кристаллы LiYF4 (около 13÷14% от первоначального содержания активаторных ионов в исходных компонентах шихты). Этим обусловлена проблема получения образцов высокого оптического качества с достаточно высокими концентрациями ионов церия и, следовательно, увеличения удельного съема энергии лазерного излучения.
Целью изобретения является создание лазерного вещества с меньшим влиянием эффекта соляризации активной среды под действием излучения накачки на ее лазерные характеристики, с расширенным диапазоном перестройки частоты лазерной генерации и с увеличенным значением удельного съема энергии лазерного излучения.
Поставленная цель достигается тем, что при выращивании кристаллов фторидов лития и лютеция, активированных ионами церия, в них дополнительно вводятся фториды иттрия и иттербия при следующих соотношениях компонентов в шихте: мол.%:
LiF - 50
LuF3 - 21÷39
YF3 - 20÷10
СеF3 - 0.2÷2
YbF3 - 0÷5
причем LuF3+YF3+YbF3+CeF3=50.
В результате образуются твердые растворы состава LiF-LuF3-YF3-CeF3-YbF3, обладающие кристаллической структурой шеелита. Заданные составы компонентов обусловлены гомогенностью образуемых соединений LiF-LuF3-YF3, LiF-YF3-YbF3 или LiF-LuF3-YbF3, обеспечивающие, по сравнению с кристаллами аналогов и прототипа:
1) уменьшение коэффициента наведенных излучением накачки потерь (коэффициент поглощения центров окраски) в области длин волн 317÷333 нм от 1.2 до 2.2 раз;
2) расширение диапазона перестройки частоты лазерного излучения до 303÷338 нм (для кристаллов прототипа измеренный в тех же условиях диапазон перестройки лазерной генерации составил 305÷322 нм);
3) повышение удельного энергосъема лазерного излучения в 1.6 раза.
Новизна заявляемого вещества состоит в том, что для УФ активных сред в литературе не обнаружено подобных технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков и приводящих к реализации заявляемых целей.
Заявляемое лазерное вещество не является очевидным для специалистов, занимающихся поисковыми исследованиями новых активных сред, поскольку твердые растворы состава LiF-LuF3-YF3-CeF3-YbF3 ранее не исследовались, что явилось объективной причиной, не позволившей ранее получить заявленный технический результат.
Как показали проведенные эксперименты, в случае промышленного применения твердых растворов LiF-LuF3-YF3-CeF3-YbF3 с оптимальным содержанием входящих в их состав компонент, удастся значительно улучшить энергетические, спектральные и эксплуатационные характеристики УФ твердотельных перестраиваемых лазеров. Кроме того, уменьшение количества дорогостоящего фторида лютеция и замена его на значительно более дешевый фторид иттрия в исходной шихте для изготовления активной среды состава LiF-LuF3-YF3-CeF3-YbF3 обеспечивает существенное снижение ее стоимости по сравнению с прототипом.
Пример 1
Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Шихту состава (мол.%): 50 LiF, 26÷32 YF3, 16÷22 LuF3, 0.2 СеF3 и 0.8 YbF3 (LuF3+YF3+YbF3+CeF3=50) помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 часов. Атмосферу для процесса выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 900°С в течение 2÷4 часов. Рост кристалла осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6 мм и длиной до 60÷70 мм. Кристаллы не имели окраски, были прозрачными и хорошего оптического качества.
Для исследований эффекта соляризации использовались полированные образцы в виде пластин размером 4×4×1 мм. Оптическая ось образцов располагалась в плоскости пластины. Исследование характеристик оптического усиления и наведенного поглощения в образцах осуществляли методом зондирования возбужденных образов пробным излучением (метод "накачка-зондирование", в англоязычной литературе - pump-probe experiments). Длина волны накачки составляла 300 нм. Плотность энергии накачки 0.8 Дж/см2. Плотность энергии зондирующего излучения составляла менее 10 мДж/см2. Спектры центров окраски, индуцируемых в активных средах аналогов и предлагаемой активной среде, приведены на фиг.1-3.
В случае твердых растворов лития-лютеция LiLu1-xYxYbyF4:Ce при х=0.5÷0.8 и у=0 коэффициент индуцированных излучением центров окраски в области длин волн 317÷333 нм оказывается в 1.2÷2.2 раза меньше, чем в кристаллах прототипа. Твердые растворы LiLu1-xYxYbyF4:Ce при х=0.5÷0.8 и у=0.01 демонстрируют минимальный коэффициент поглощения индуцированных центров окраски, в 2 и более раза меньший, чем в кристаллах прототипа и аналогов во всей области люминесценции ионов Се3+.
Пример 2
Выращивание кристаллов из шихты состава (мол.%): 50 LiF, 10÷20 YF3, 29÷39 LuF3 и 1 СеF3 осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера. Шихту помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 часов. Атмосферу для процесса выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 900°С в течение 2÷4 часов. Рост кристалла осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. В отличие от примера 1, выращивание кристаллов осуществлялось «на затравку»: ориентированный кристалл того же состава, помещенный в затравочную камеру тигля. При этом расположение оптической оси затравки определяло направление оптической оси выращиваемого кристалла. Выращивались образцы с перпендикулярной ориентацией оптической оси относительно направления роста. Размер и оптическое качество полученных кристаллов были такими же, как описанные в примере 1. Из них изготавливались активные элементы, представляющие собой цилиндры с плоскопараллельными основаниями и плоским окном, длиной, равной длине цилиндра, и высотой 4 мм, выполированным на образующей цилиндра. Расположение окна выбиралось таким образом, чтобы оптическая ось кристалла лежала в его плоскости.
Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси криптона и фтора с длиной волны излучения 248 нм. Частота следования импульсов накачки - 0.5 Гц. Энергия излучения лазера накачки для всех сравниваемых кристаллов составляла 60 мДж, что, примерно, в 8 раз превышало пороговую энергию возникновения лазерной генерации. В неселективном резонаторе, образованном плоскими зеркалами с оптимальными коэффициентами отражения, энергосъем лазерного излучения с активной среды заявляемого состава в ~ 1.6 раз превысил энергосъем с кристалла прототипа. Результаты измерений приведены в таблице.
Пример 3
Выращивание кристаллов и изготовление из них активных элементов осуществлялось методом, описанным в примере 2. Использовалась шихта состава (мол.%): 50 LiF, 15 YF3, 34 LuF3 и 1 СеF3.
Эксперименты по возбуждению лазерной генерации осуществлялись по поперечной схеме накачки. В качестве источника накачки использовался лазер на эксимерной смеси криптона и фтора с длиной волны излучения 248 нм. Частота следования импульсов накачки - 0.5 Гц. Энергия излучения лазера накачки для всех сравниваемых кристаллов составляла 60 мДж. Использовался селективный резонатор, образованный плоскими зеркалами с коэффициентами отражения 0.99 в области 290÷350 нм. В качестве диспергирующего элемента использовалась 60-градусная призма, изготовленная из плавленого кварца.
Диапазон перестройки лазера на основе активной среды заявляемого состава составил 303÷338 нм, что в 1.3 раза превышает диапазон перестройки лазера на кристаллах прототипа.
Источники информации
1. Ehrlich D.J. Ultraviolet solid-state Ce:YLF laser at 325 nm.// D.J.Ehrlich, P.F.Moulton, R.M. Osgood// Opt. Lett. - 1979. - V. 4. - P. 184-186.
2. Dubinskii M.A. A new active medium for a tunable solid-state UV laser with an excimer pump/ M.A.Dubinskii, V.V.Semashko, A.K.Naumov, R. Yu. Abdulsabirov, S.L.Korableva// Laser Physics. - 1994. - V. 3. - № 4. - P. 480-84.
3. Семашко В.В. Проблемы поиска новых твердотельных активных сред ультрафиолетового и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов спектра: роль фотодинамических процессов / В.В.Семашко // ФТТ - 2005 - т.47 - N5 - С.1450-1454.
4. Semashko V.V. Laser properties of the excimer-pumped photochemically stabilized Ce3+:LiLuF4 tunable UV active material / V.V.Semashko, M.A.Dubinskii, R-Yu.Abdulsabirov, A.K.Naumov, S.L.Korableva, P. Misra, C. Haridas // Proc. of the Intemat. Conf. on LASERS 2000 (Albuquerque, NM, Dec. 4-8, 2000), STS Press, McLean, VA-2001-P. 675-678.
Удельный энергосъем с активных сред химического состава LiLu1-x-yYxYbyF4:Ce3+
Кристалл Удельный энергосъем, мДж/см3
LiYF4:Ce3+(аналог) <30
LiLuF4Ce3+ (аналог) 160-170
LiLu0.99Yb0.01F4Ce3+ (прототип) 200-220
LiLu0.8Y0.2F4:Се3+ (заявляемый результат) 340-370
LiLu0.7Y0.28 Yb0.02F4:Ce3+(заявляемый результат) 320-350

Claims (1)

  1. Лазерное вещество на основе кристалла фторидов лития и лютеция, активированного трехвалентными ионами церия, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фториды иттрия и иттербия в соответствии с химической формулой LiLu1-xYxYbyF4:Ce, где х=0,5÷0,8, у=0-0,05.
RU2007144899/15A 2007-11-23 2007-11-23 Лазерное вещество RU2362844C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007144899/15A RU2362844C1 (ru) 2007-11-23 2007-11-23 Лазерное вещество

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007144899/15A RU2362844C1 (ru) 2007-11-23 2007-11-23 Лазерное вещество

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2362844C1 true RU2362844C1 (ru) 2009-07-27

Family

ID=41048464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007144899/15A RU2362844C1 (ru) 2007-11-23 2007-11-23 Лазерное вещество

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2362844C1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103774222A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 宁波大学 一种用于白光LED的Eu3 +/Dy3 +掺杂NaYF4单晶体及其制备方法
CN103774211A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 宁波大学 一种铽镱稀土离子双掺杂氟化镥钆锂上转换发光晶体及其制备方法
CN103820854A (zh) * 2014-02-20 2014-05-28 宁波大学 一种Ce3 +离子掺杂氟化钆锂紫外激光晶体及其制备方法
CN103820853A (zh) * 2014-02-20 2014-05-28 宁波大学 一种用于白光led的掺镝氟化钇钆锂单晶体及其生长方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SEMASHKO V.V. et al. Photodynamic nonlinear processes in UV solid-state active media and approaches to improving material laser performance. "Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 4766 (Spectroscopy of Crystal Activated by Rare-Earth and Transition-Metal Ions)", 2002, 119-126, STN БД СА, AN 137:377170. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103774222A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 宁波大学 一种用于白光LED的Eu3 +/Dy3 +掺杂NaYF4单晶体及其制备方法
CN103774211A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 宁波大学 一种铽镱稀土离子双掺杂氟化镥钆锂上转换发光晶体及其制备方法
CN103820854A (zh) * 2014-02-20 2014-05-28 宁波大学 一种Ce3 +离子掺杂氟化钆锂紫外激光晶体及其制备方法
CN103820853A (zh) * 2014-02-20 2014-05-28 宁波大学 一种用于白光led的掺镝氟化钇钆锂单晶体及其生长方法
CN103774222B (zh) * 2014-02-20 2016-06-08 宁波大学 一种用于白光LED的Eu3+/Dy3+掺杂NaYF4单晶体及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Samuel et al. Spectroscopic analysis of Eu doped transparent CaF2 ceramics at different concentration
Xu et al. Crystal growth, spectral and laser properties of Nd: LuAG single crystal
Zhuang et al. Enhanced emission of 2.7 μm from Er3+/Nd3+-codoped LiYF4 single crystals
Giesber et al. Spectroscopic properties of Er 3+ and Eu 3+ doped acentric LaBO 3 and GdBO 3
RU2362844C1 (ru) Лазерное вещество
Zhang et al. Growth, thermal and laser properties of a new self-frequency-doubling Yb: CNGS crystal
Quan et al. Growth, structure and spectroscopic properties of Er, Pr: YAP laser crystal
Ding et al. Enhanced radiation resistant properties of Nd: GSAG laser crystal by co-doping of Cr3+
Wu et al. Enhanced visible and mid-IR emissions in Er/Yb-codoped K0. 5Na0. 5NbO3 ferroelectric ceramics
Dong et al. Spectroscopy and LD end-pumped high power 2.79 μm CW laser from an Er: LuYSGG mixed crystal
Guo et al. Highly efficient CW laser operation in 4 at.% Tm 3+ and 4 at.% Y 3+ codoped CaF 2 crystals
Zhou et al. Preparation and spectral analysis of 4.3% Dy: YCa 4 O (BO 3) 3 and 5% Dy, 1.25% Tb: YCa 4 O (BO 3) 3 crystals for potential use in solid state yellow lasers
US3550033A (en) Chromium-doped gdalo3 high energy storage laser material
Wang et al. Environmentally friendly growth of fluoride crystal LiYF4: Pr3+ with broadband near-infrared emission from 1D2 manifolds
Jia et al. Thermal properties and polarized spectral analysis of Tm3+: SrWO4 crystal
Bol'shchikov et al. Tunable quasi-cw two-micron lasing in diode-pumped crystals of mixed Tm3+-doped sodium—lanthanum—gadolinium molybdates and tungstates
Shimamura et al. Growth of Ce-doped colquiriite-and scheelite-type single crystals for UV laser applications
Huang et al. Spectroscopy and laser performance of Yb3+: GdMgB5O10 crystal
Ryba-Romanowski et al. Spectroscopic investigations of neodymium-doped BaLaGa3O7 single crystals
RU2369670C1 (ru) Лазерное вещество
Ranieri et al. Crystal growth of Ce: LiLuF4 for optical applications
Pan et al. Growth, Spectroscopy and Laser Operation in Disordered Tm, Ho: Ca (Gd, Lu) A! O4 Crystals
Pujol et al. Yb3+-doped KLu (WO4) 2, Nb: RbTiOPO4 and KGd (PO3) 4 crystals. Growth, characterization and laser operation
Xu et al. Growth and spectroscopic properties of CaxSr1-xF2: Sm: Gd single crystals
Li et al. Effect of dopant concentration on the spectra characteristic in Zr4+ doped Yb: Nd: LiNbO3 crystals

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20120214

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20131011