RU2146726C1 - Method for producing working medium for adjustable solid-state lasers - Google Patents

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: method involves growth of potassium chloride crystals from melt while adding thallium salt. Crystals are grown using Stockbarger method in evacuated quartz crystal ampoules of salt KCl added with thallium nitrate TlNO₃. Thallium content in crystals is checked by A-band of absorption in ultraviolet region of spectrum. Tl^o(I) centers of coloring are organized by gamma irradiation of crystals at dose rate of (1-5)•10⁷ R at temperature of dry ice. Thallium salt is introduced in the form of thallium nitrate TlNO₃ in amount of 0.5-2 mass percent. EFFECT: improved concentration of effective coloring centers in crystals. 1 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания твердотельных перестраиваемых инфракрасных лазеров. The invention relates to laser technology and can be used to create solid-state tunable infrared lasers.

Известен способ получения вещества для активных сред и пассивных лазерных затворов /1/. Способ включает синтез монокристаллов фторида лития методом Стокбаргера из сырья LiF квалификации "ОСЧ". В шихту добавлялись примеси гидрида лития и фторида магния и выращивание проводилось в атмосфере водорода. Для создания центров окраски выращенные кристаллы облучались рентгеновским излучением дозой (0,1-3)•10⁶ Гр. при температуре, близкой к комнатной.A known method of producing substances for active media and passive laser shutters / 1 /. The method involves the synthesis of single crystals of lithium fluoride by the Stockbarger method from LiF feedstock of the “VCP” qualification. Impurities of lithium hydride and magnesium fluoride were added to the charge, and the growth was carried out in a hydrogen atmosphere. To create color centers, the grown crystals were irradiated with X-ray radiation at a dose of (0.1-3) • 10 ⁶ Gy. at a temperature close to room temperature.

Известен способ получения лазерного вещества для активных элементов и пассивных затворов /2/. Способ включает выращивание монокристаллов фторида лития методом Стокбаргера из сырья LiF квалификации "ОСЧ". В шихту добавляли примесь гибрида лития в концентрации 0,02-0,4 мол.% и выращивание проводили в водородной атмосфере. Для создания центров окраски на выращенные кристаллы воздействовали рентгеновским излучением при комнатной температуре дозой (0,1-1)•10⁶ Гр.A known method of obtaining a laser substance for active elements and passive shutters / 2 /. The method includes growing single crystals of lithium fluoride by the Stockbarger method from LiF feedstocks of the “VHF” qualification. An impurity of lithium hybrid at a concentration of 0.02-0.4 mol% was added to the charge, and the growth was carried out in a hydrogen atmosphere. To create color centers, the grown crystals were exposed to x-ray radiation at room temperature with a dose of (0.1-1) • 10 ⁶ Gy.

Известен способ получения активных элементов перестраиваемых лазеров /3/. Методом Чохральского выращивают из расплава NaCl особой частоты кристалл NaCl-OH, выкалывают из него пластинку и проводят ее аддитивное окрашивание. Облучают пластинку ультрафиолетовым светом при комнатной температуре. A known method of obtaining the active elements of tunable lasers / 3 /. Using the Czochralski method, a NaCl-OH crystal is grown from a melt of NaCl of a special frequency, a plate is punctured from it, and its additive staining is performed. The plate is irradiated with ultraviolet light at room temperature.

Ближайшим аналогом является способ создания рабочей среды /4/, Выращивают кристаллы методом Чохральского. Кристаллы содержат массовую долю примеси таллия 0,07-0,13% и имеют хорошее оптическое качество. Содержание таллия в кристаллах определяют по A-полосе поглощения в области 248 нм. Центры окраски в кристаллах создавались по методике получения F_A-центров: облучение электронами при температуре 77 K, а затем облучение белым светом при - 30^oC. Для электронного облучения используют импульсный ускоритель, обеспечивающий поток электронов с энергией 1,6-1,8 МэВ и плотностью 4•10¹³ эл•с/см². Перед облучением кристаллы (6х6х2) мм полируют и помещают в герметически закрываемые кассеты. Электронное облучение создает в кристалле несколько типов ЦО.The closest analogue is the way to create a working environment / 4 /, Crystals are grown by the Czochralski method. The crystals contain a mass fraction of thallium impurity of 0.07-0.13% and have good optical quality. The thallium content in the crystals is determined by the A-absorption band at 248 nm. Color centers in crystals were created by the method of obtaining F _A centers: irradiation with electrons at a temperature of 77 K, and then irradiation with white light at -30 ^o C. For electron irradiation, a pulsed accelerator is used that provides an electron flux with an energy of 1.6-1.8 MeV and a density of 4 • 10 ¹³ el • s / cm ² . Before irradiation, crystals (6x6x2) mm are polished and placed in hermetically sealed cassettes. Electron irradiation creates several types of color centers in a crystal.

Недостатком прототипа и вышеуказанных способов является невысокая концентрация рабочих центров окраски. The disadvantage of the prototype and the above methods is the low concentration of the working centers of the color.

Целью предлагаемого изобретения является повышение концентрации рабочих центров окраски Tl^o(1) в кристаллах KCl-Tl.The aim of the invention is to increase the concentration of the working centers of the color Tl ^o (1) in KCl-Tl crystals.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе создания рабочей среды, включающем выращивание кристаллов хлористого калия из расплава с добавлением солей таллия, облучение ионизирующим излучением, соль таллия в расплав вводят в виде азотнокислого таллия TlNO₃ в количестве от 0,5 до 2,0 мас.%.This goal is achieved by the fact that in the known method of creating a working environment, including growing potassium chloride crystals from a melt with the addition of thallium salts, irradiation with ionizing radiation, the thallium salt is introduced into the melt in the form of thallium nitrate TlNO ₃ in an amount of from 0.5 to 2.0 wt.%.

Концентрации, меньшие 0,5 мас.% TlNO₃, недостаточны для создания активной лазерной среды вследствие малой концентрации таллия и очень слабого увеличения концентрации рабочих центров по сравнению с кристаллами, активированными хлористым таллием.Concentrations lower than 0.5 wt.% TlNO ₃ are insufficient to create an active laser medium due to the low concentration of thallium and a very weak increase in the concentration of working centers compared to crystals activated with thallium chloride.

Концентрации, большие 2,0 мас.% TlNO₃, также неэффективны вследствие конкурирующего влияния сложных центров окраски, снижающих эффективность лазерной среды.Concentrations of large 2.0 wt.% TlNO ₃ are also ineffective due to the competing influence of complex color centers, which reduce the efficiency of the laser medium.

Способ осуществляется следующим образом. Кристаллы KCl-Tl с Tl^o(1) центрами окраски являются активной лазерной средой для перестраиваемых лазеров в диапазоне 1,4-1,6 мкм. Для получения активной среды кристаллы выращивают из расплава по методу Стокбаргера в вакуумированных кварцевых ампулах из соли KCl марки "ОСЧ" с добавкой азотнокислого таллия (TlNO₃) в концентрации от 0,5 до 2,0 мас.%. Контроль за содержанием таллия в кристаллах осуществляют по A-полосе поглощения таллия в ультрафиолетовой области спектра (при 248 нм в максимуме полосы при 266 нм на ее длинноволновом спаде). Центры окраски Tl^o(1) создают гамма-облучением кристаллов от радиоактивного источника ⁶⁰Co дозой (1-5)•10⁷ р при температуре сухого льда (истинное содержание таллия в кристаллах на порядок ниже). Контроль за концентрацией Tl^o(1) центров окраски осуществляют по полосе поглощения данных центров в ИК-области с максимумом при 1,04 мкм и по интенсивности полосы люминесценции с максимумом при 1,5 мкм, возбуждаемой в полосе поглощения 1,04 мкм.The method is as follows. KCl-Tl crystals with Tl ^o (1) color centers are an active laser medium for tunable lasers in the range 1.4–1.6 μm. To obtain an active medium, crystals are grown from a melt according to the Stockbarger method in evacuated quartz ampoules from OSCH grade KCl salt with the addition of thallium nitrate (TlNO ₃ ) in a concentration of 0.5 to 2.0 wt.%. The content of thallium in crystals is controlled by the A-band absorption of thallium in the ultraviolet region of the spectrum (at 248 nm at the maximum of the band at 266 nm at its long-wavelength decay). The color centers Tl ^o (1) are created by gamma irradiation of crystals from a ⁶⁰ Co radioactive source with a dose of (1-5) • 10 ⁷ r at dry ice temperature (the true content of thallium in crystals is an order of magnitude lower). The concentration of Tl ^o (1) of the color centers is controlled by the absorption band of these centers in the IR region with a maximum at 1.04 μm and by the intensity of the luminescence band with a maximum at 1.5 μm excited in the absorption band of 1.04 μm.

Получено, что при активации кристаллов азотнокислым таллием по сравнению с кристаллами, активированными хлористым таллием, при равных концентрациях таллия и прочих равных условиях получения активных элементов лазеров достигается более высокая концентрация рабочих центров окраски Tl^o(1). Этот факт обусловлен тем, что в необлученных кристаллах KCl-Tl, выращенных с добавками TlNO₃, лучше соотношение основные/димерные центры, чем в выращенных с добавками TlCl и, соответственно, в активной среде лучше соотношение Tl^o(1)/Tl^oTl⁺(1) центров окраски. Появление дополнительных Tl^oTl⁺(l) центров окраски, поглощение которых накладывается на поглощение рабочих Tl^o(1) центров окраски, приводит к неактивным лазерным потерям. На чертеже приведены спектры поглощения кристаллов KCl-TlNO₃ - кривая 1 для содержания 1 мас. % TlNO₃, KCl-TlCl - кривая 2 для 0,9 мас.% TlCl и кривая 3 для 5 мас.% TlCl при 80 K, приведенные к равной интенсивности в максимуме полосы. Как следует из чертежа, наложением полос поглощения центров Tl^oTl⁺(1) на рабочие центры обусловлено уширение данных полос. И при высоких концентрациях сложных центров следует сдвиг полос поглощения и люминесценции в длинноволновую область - кривая 3.It was found that when crystals are activated with thallium nitrate as compared with crystals activated with thallium chloride, at equal concentrations of thallium and other equal conditions for the production of active laser elements, a higher concentration of the working centers of the color Tl ^{o is} achieved (1). This fact is due to the fact that in unirradiated KCl-Tl crystals grown with TlNO ₃ additives, the ratio of basic / dimeric centers is better than in those grown with TlCl additives and, accordingly, in the active medium, the ratio Tl ^o (1) / Tl ^o Tl is better ⁺ (1) color centers. The appearance of additional Tl ^o Tl ⁺ (l) color centers, the absorption of which is superimposed on the absorption of the working Tl ^o (1) color centers, leads to inactive laser losses. The drawing shows the absorption spectra of crystals of KCl-TlNO ₃ - curve 1 for a content of 1 wt. % TlNO ₃ , KCl-TlCl - curve 2 for 0.9 wt.% TlCl and curve 3 for 5 wt.% TlCl at 80 K, reduced to equal intensity at the maximum of the band. As follows from the drawing, the superposition of the absorption bands of the Tl ^o Tl ⁺ (1) centers on the working centers is responsible for the broadening of these bands. And at high concentrations of complex centers, a shift of the absorption and luminescence bands to the long-wavelength region follows - curve 3.

Пример. Выращивают кристаллы KCl-Tl из расплава с введением в шихту 0,5 - 2,0 мас. % TlNO₃. Аналогично выращивают из расплава кристаллы KCl-Tl для сравнения с введением в шихту 0,45 -1,8 мас.% TlCl. Выкалывают образцы кристаллов размерами 10х10х2 мм. Облучают гамма-излучением от радиоактивного источника ⁶⁰Co дозой 1•10⁷ р при температуре сухого льда. Определяют коэффициент поглощения в максимуме полосы Tl^o(1) центров при 1,04 мкм. Эти данные приведены в таблице.Example. KCl-Tl crystals are grown from the melt with the introduction of 0.5 - 2.0 wt. % TlNO ₃ . Similarly, KCl-Tl crystals are grown from a melt for comparison with the introduction of 0.45-1.8 wt.% TlCl into the charge. Crystal samples 10 x 10 x 2 mm are punctured. Irradiated with gamma radiation from a radioactive source ⁶⁰ Co with a dose of 1 • 10 ⁷ r at dry ice temperature. The absorption coefficient is determined at the maximum of the band Tl ^o (1) of the centers at 1.04 μm. These data are given in the table.

Как видно из таблицы, концентрация лазерно-активных Tl^o(1) центров окраски при введении в исходную шихту для выращивания кристаллов азотнокислого таллия выше, чем при введении хлористого таллия.As can be seen from the table, the concentration of laser-active Tl ^o (1) color centers upon introduction of thallium nitrate crystals into the initial mixture for growing crystals is higher than upon introduction of thallium chloride.

Рабочая среда, созданная предлагаемым способом, может использоваться в качестве активной среды для твердотельных перестраиваемых лазеров, в качестве пассивных лазерных затворов может использоваться в волоконной оптике. The working medium created by the proposed method can be used as an active medium for solid-state tunable lasers, as passive laser shutters can be used in fiber optics.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 1528278 H 01 S 3/16, 3/11, 1987.Sources of information
1. Auth. St. USSR N 1528278 H 01 S 3/16, 3/11, 1987.

2. Авт. св. СССР N 1695801 H 01 S 3/16, 3/11, 1987. 2. Auth. St. USSR N 1695801 H 01 S 3/16, 3/11, 1987.

3. W.Jullerman et al. Optical properties and stable, broadly tunable CN laser operation of new Fa type centers in Tl doped alkali holides. Optics Communications, 1981, v. 39, N 6, P.391. 3. W. Jullerman et al. Optical properties and stable, broadly tunable CN laser operation of new Fa type centers in TL doped alkali holides. Optics Communications, 1981, v. 39, N 6, P. 391.

4. Бетеров И.М., Дроздова О.В. и др. Исследование оптических и генерационных характеристик Tl^o(1)-центров окраски в кристалле KCl:Tl. - Квантовая электроника, 13, N7, 1986, с. 1524-1525 (прототип).4. Beterov I.M., Drozdova O.V. et al. Investigation of the optical and lasing characteristics of Tl ^o (1) color centers in a KCl: Tl crystal. - Quantum Electronics, 13, N7, 1986, p. 1524-1525 (prototype).

Claims (1)

Способ создания рабочей среды для твердотельных перестраиваемых лазеров, включающий выращивание кристаллов хлористого калия из расплава с добавлением соли таллия и облучение полученных кристаллов ионизирующим излучением, отличающийся тем, что соль таллия вводят в виде азотнокислого таллия TlNO₃ в количестве от 0,5 до 2 мас.%.A method of creating a working environment for solid-state tunable lasers, including growing potassium chloride crystals from a melt with the addition of thallium salt and irradiating the obtained crystals with ionizing radiation, characterized in that the thallium salt is introduced in the form of thallium nitrate TlNO ₃ in an amount of from 0.5 to 2 wt. %

Images