RU2362844C1 - Лазерное вещество - Google Patents
Лазерное вещество Download PDFInfo
- 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
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)
- 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.
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)
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 |
-
2007
- 2007-11-23 RU RU2007144899/15A patent/RU2362844C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
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)
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 |