RU2591253C1 - Monocrystalline material with heterogeneous distribution of optical impurities for active laser element - Google Patents

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to laser engineering and concerns monocrystalline material with heterogeneous distribution of optical impurities according to a given law along the active laser element with the following structural formula:

where

where z is a spatial coordinate directed along the length of the crystal and determining the change of Erbium and ytterbium ions concentration profile in the reference system, originating in the inlet face of the active element and having a value from 0 to 1 cm.

EFFECT: high efficiency of lengthwise pumping of an active laser element.

1 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к материалам для лазерной техники, в частности для твердотельных лазеров с диодной накачкой.The invention relates to materials for laser technology, in particular for diode-pumped solid-state lasers.

Источники когерентного оптического излучения в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм находят ряд применений в производстве телекоммуникационных (третье окно прозрачности кварцевых волокон, окно прозрачности атмосферы) и медицинских приборов (офтальмология). Для технических задач, требующих высокой стабильности генерационных параметров лазера и качества выходного пучка излучения, вместо широко распространенных лазерных диодов и активированных эрбием фторидных стекол применяют монокристаллические активные элементы.Sources of coherent optical radiation in the wavelength range of 1.5-1.6 μm find a number of applications in the production of telecommunications (third window of transparency of quartz fibers, window of transparency of the atmosphere) and medical devices (ophthalmology). For technical problems requiring high stability of the laser generation parameters and the quality of the output radiation beam, single-crystal active elements are used instead of widespread laser diodes and erbium-activated fluoride glasses.

Среди лазерных кристаллов, на которых реализована генерация в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм, известны активные элементы на основе фторида магния (MgF₂) с примесями двухвалентных ионов никеля, кобальта и ванадия [Moulton P.F. IEEE J. Quantum Electron, 1982, V. 18, p. 1185]. Они обладают широкой спектральной полосой усиления (1,2-1,8 мкм), однако эффективная генерация может быть достигнута только при криогенных температурах (77 К).Among laser crystals, which realize generation in the wavelength range of 1.5-1.6 μm, active elements based on magnesium fluoride (MgF ₂ ) with impurities of divalent ions of nickel, cobalt and vanadium are known [Moulton PF IEEE J. Quantum Electron, 1982, V. 18, p. 1185]. They have a wide spectral gain band (1.2–1.8 μm), but effective generation can be achieved only at cryogenic temperatures (77 K).

В большинстве других известных лазерных элементах данного класса в качестве активной среды используют кристаллы с постоянным равномерным распределением ионов эрбия (концентрационная серия с содержанием Er³⁺ 0,1-4 ат.% для оксидных матриц) [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75]. Лазерный уровень ионов эрбия ⁴Ι_13/2 имеет большое время жизни (порядка нескольких миллисекунд), однако КПД генерации составляет значения около 0,01% из-за процессов кросс-релаксации, ап-конверсии и реабсорбции, а также невысокого сечения поглощения накачки предлазерным уровнем ⁴I_11/2/2 (λ=980 нм). Следует отметить, что с ростом степени легирования до уровня 3-4 ат.% энергетическая эффективность оптической накачки растет, но вместе с этим возрастает и вклад паразитных энергетических процессов, приводящих, в частности, к повышению температуры кристалла, ухудшению качества лазерного пучка. При превышении концентрации 4 ат.% происходит тушение люминесценции ионов Er³⁺ из-за высокой скорости кросс-релаксации электронного возбуждения с предлазерного уровня ⁴I_11/2.In most other known laser elements of this class, crystals with a constant uniform distribution of erbium ions (concentration series with Er ³⁺ content of 0.1-4 at.% For oxide matrices) are used as an active medium [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75]. The laser level of erbium ions ⁴ Ι _13/2 has a long lifetime (of the order of several milliseconds), however, the generation efficiency is about 0.01% due to the processes of cross relaxation, up-conversion and reabsorption, as well as a low pre-laser pump absorption cross section level ⁴ I _11/2/2 (λ = 980 nm). It should be noted that with an increase in the degree of doping to the level of 3-4 at.%, The energy efficiency of optical pumping increases, but at the same time, the contribution of spurious energy processes also increases, leading, in particular, to an increase in the crystal temperature and a deterioration in the quality of the laser beam. When the concentration exceeds 4 at.%, The luminescence of Er ³⁺ ions is ^quenched due to the high rate of cross-relaxation of electronic excitation from the pre-laser level ⁴ I _11/2 .

Общеприменимым методом повышения эффективности оптической накачки для лазерных кристаллов с 1,5 мкм генерацией является сенсибилизирование матрицы ионами иттербия (Yb³⁺: до 30 ат. %) [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 75-79]. Высокоэффективный резонансный безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения от ионов-доноров (Yb³⁺) к ионам-акцепторам (Er³⁺) позволяет значительно увеличить темпы заселения предлазерного уровня. Однако применение материалов с высоким содержанием (более 25-30 ат. %) ионов-сенсибилизаторов приводит к мощной люминесценции ионов Yb³⁺, сопровождающейся высокой степенью реабсорбции данного излучения, и, как следствие, к снижению генерационных параметров.A generally applicable method for increasing the optical pumping efficiency for laser crystals with 1.5 μm generation is to sensitize the matrix with ytterbium ions (Yb ³⁺ : up to 30 at.%) [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p . 75-79]. The highly efficient resonant non-radiative transfer of electron excitation energy from donor ions (Yb ³⁺ ) to acceptor ions (Er ³⁺ ) allows a significant increase in the population rate of the pre-laser level. However, the use of materials with a high content (more than 25-30 at.%) Of sensitizer ions leads to powerful luminescence of Yb ³⁺ ions, accompanied by a high degree of reabsorption of this radiation, and, as a result, to a decrease in lasing parameters.

Известны активные элементы на основе ортоборатов и ортосиликатов редкоземельных и щелочноземельных металлов, таких как Yb:Er:LaSc₃(ВО₃)₄ (LSB) [Перфилин А., Несынов Е., Подцепко М., Лебедев В., Чуев Ю., Спектрально-люминесцентные исследования монокристаллов боратов и силикатов с примесями иттербия и эрбия. Природа. Общество. Человек, Вестник Южно-Российского отделения Международной Академии наук Высшей школы, 4-5 (7-8)/1996, с. 31-33], Yb:Er:YCa₄(BO₃)₃O (YCAB) [патент RU №2186161, МПК7, опубл. 27.07.2002], Yb:Er:Ce:CaGd₄(SiO₄)₃O (CGS) [патент RU №2186162, МПК7, опубл. 27.07.2002] и др. Их основные преимущества заключаются в подавлении фононной релаксации возбуждения ионов эрбия и снижении времени жизни предлазерного уровня. Однако они обладают невысокой теплопроводностью, а технологии выращивания монокристаллов с высоким оптическим качеством являются сложными и экономически неэффективными процессами.Active elements based on orthoborates and orthosilicates of rare-earth and alkaline earth metals, such as Yb: Er: LaSc ₃ (BO ₃ ) ₄ (LSB) are known [Perfilin A., Nesynov E., Podsepko M., Lebedev V., Chuev Yu., Spectral-luminescent studies of single crystals of borates and silicates with impurities of ytterbium and erbium. Nature. Society. Man, Bulletin of the South-Russian Branch of the International Academy of Sciences of Higher Education, 4-5 (7-8) / 1996, p. 31-33], Yb: Er: YCa ₄ (BO ₃ ) ₃ O (YCAB) [patent RU No. 2186161, IPC7, publ. 07.27.2002], Yb: Er: Ce: CaGd ₄ (SiO ₄ ) ₃ O (CGS) [patent RU No. 2186162, IPC7, publ. July 27, 2002] and others. Their main advantages are the suppression of the phonon relaxation of the excitation of erbium ions and a decrease in the lifetime of the prelaser level. However, they have low thermal conductivity, and technologies for growing single crystals with high optical quality are complex and economically inefficient.

Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является монокристаллический алюмоиттриевый гранат Yb_0,6:Er_0,06:Y_2.34Аl₂(AlO₄)₃ с равномерным профилем легирования ионами эрбия и иттербия. Данный лазерный материал широко используется в лазерной промышленности на протяжении нескольких десятилетий. Наряду с высокими теплофизическими характеристиками, кристаллы YAG, легированные эрбием, обладают одним из самых высоких коэффициентов усиления среди кристаллических матриц: α=5-6 см^-1 [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 75-79]. К недостаткам монокристаллического алюмоиттриевого граната с однородным распределением оптических примесей относится малая эффективность оптической продольной накачки и невысокий квантовый выход лазерного излучения, что обусловлено кросс-релаксацией электронного возбуждения, ап-конверсией и реабсорбцией лазерного излучения. Развитие этих эффектов приводит к снижению скорости безызлучательного переноса энергии от ионов-доноров Yb³⁺ к активным лазерным ионам Er³⁺, в связи с чем уменьшается эффективность генерации индуцированного излучения.The closest analogue to the claimed material is a single-crystal yttrium aluminum garnet Yb _0.6 : Er _0.06 : Y _2.34 Al ₂ (AlO ₄ ) ₃ with a uniform doping profile with erbium and ytterbium ions. This laser material has been widely used in the laser industry for several decades. Along with high thermophysical characteristics, YAG crystals doped with erbium have one of the highest gain among crystalline matrices: α = 5-6 cm ^-1 [Koechner W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p . 75-79]. The disadvantages of single-crystal yttrium aluminum garnet with a uniform distribution of optical impurities include the low efficiency of optical longitudinal pumping and the low quantum yield of laser radiation, which is due to cross-relaxation of electronic excitation, up-conversion, and reabsorption of laser radiation. The development of these effects leads to a decrease in the rate of nonradiative energy transfer from Yb ³⁺ donor ions to Er ³⁺ active laser ions, and therefore the generation efficiency of induced radiation decreases.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности оптической диодной продольной накачки активного лазерного элемента путем повышения эффективной скорости переноса электронного возбуждения от ионов-сенсибилизаторов иттербия к ионам-акцепторам эрбия.The technical result of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the optical diode longitudinal pumping of an active laser element by increasing the effective transfer rate of electronic excitation from ytterbium sensitizer ions to erbium acceptor ions.

Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе алюмоиттриевого граната с неоднородным распределением оптических примесей, в качестве которых взяты активные ионы эрбия и иттербия, по заданному закону вдоль активного лазерного элемента следующей структурной формулы:To achieve a technical result, a single-crystal material based on yttrium aluminum garnet with an inhomogeneous distribution of optical impurities, which are taken as the active ions of erbium and ytterbium, according to a given law along the active laser element of the following structural formula is proposed:

где:Where:

р=22,5 ат. %, q=2,25 ат. %, где 0≤z≤1 см,p = 22.5 at. %, q = 2.25 at. %, where 0≤z≤1 cm,

z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла, см, в системе отсчета, берущей начало на входной грани активного элемента.z is the spatial coordinate along the length of the crystal, cm, in the reference frame originating on the input face of the active element.

И заявляемый монокристаллический материал, и прототип содержат одни и те же исходные компоненты, но в отличие от прототипа их содержание и распределение в соответствии с формулами (1)-(4) обеспечивают повышение эффективности оптической диодной продольной накачки активного лазерного элемента путем повышения эффективной скорости переноса электронного возбуждения от ионов-сенсибилизаторов иттербия к ионам-акцепторам эрбия.Both the inventive single-crystal material and the prototype contain the same initial components, but unlike the prototype, their content and distribution in accordance with formulas (1) - (4) provide an increase in the efficiency of the optical diode longitudinal pumping of the active laser element by increasing the effective transfer rate electronic excitation from ytterbium sensitizer ions to erbium acceptor ions.

На фиг. 1 изображена ростовая установка, используемая для получения предлагаемого материала.In FIG. 1 shows a growth plant used to obtain the proposed material.

На фиг. 2 представлены графики распределения ионов эрбия и иттербия вдоль длины кристалла, а именно:In FIG. 2 shows graphs of the distribution of erbium and ytterbium ions along the length of the crystal, namely:

a(z) - график распределения концентрации ионов-доноров Yb³⁺(2) - I;a (z) is a graph of the distribution of the concentration of donor ions Yb ³⁺ (2) - I;

b(z) - график распределения концентрации ионов-акцепторов Er³⁺ (3) - II;b (z) is a graph of the distribution of the concentration of Er ³⁺ (3) - II acceptor ions;

уровень концентрации 12,563 ат. %, соответствующий средней эффективной степени легирования ионами иттербия - III;concentration level 12.563 at. %, corresponding to the average effective degree of doping with ytterbium ions - III;

уровень концентрации 1,256 ат. %, соответствующий средней эффективной степени легирования ионами эрбия - IV.concentration level 1,256 at. %, corresponding to the average effective degree of doping with erbium ions - IV.

На фиг. 3 изображены графики распределения мощности выходного оптического лазерного излучения, где поверхность а соответствует распределению электромагнитного поля в неоднородно легированном кристалле со структурной формулой (1) и поверхность б - распределению в однородно легированном кристалле со структурной формулой Yb₀₆₄₈₉:Er_0,049:Y_2.462Al₂(AlO₄)₃.In FIG. Figure 3 shows graphs of the power distribution of the output optical laser radiation, where surface a corresponds to the distribution of the electromagnetic field in a nonuniformly doped crystal with the structural formula (1) and surface b to the distribution in a uniformly doped crystal with the structural formula Yb ₀₆₄₈₉ : Er _0.049 : Y _2.462 Al ₂ ( AlO ₄ ) ₃ .

На фиг. 4 представлен график зависимости результирующей выходной мощности от концентрации ионов эрбия (при постоянной эффективной концентрации ионов иттербия 12,563 ат.%).In FIG. Figure 4 shows a graph of the dependence of the resulting output power on the concentration of erbium ions (at a constant effective concentration of ytterbium ions of 12.563 at.%).

На фиг. 5 изображен график зависимости эффективности безызлучательного переноса к ионам-акцепторам в зависимости от концентрации ионов эрбия (при постоянной эффективной концентрации ионов иттербия 12,563 ат.%).In FIG. Figure 5 shows a graph of the dependence of the efficiency of non-radiative transfer to acceptor ions as a function of the concentration of erbium ions (at a constant effective concentration of ytterbium ions of 12.563 at.%).

Для получения монокристалла применяли метод Чохральского с жидкостной подпиткой [Патент RU №2402646, 10.03.2009]. Для осуществления способа используют установку (фиг. 1), включающую тигель 1; индуктор 2; ЭВМ 3; контроллер мощности 4; расплав 5, находящийся в основном тигле 1; вращающийся шток 6; датчик веса 7; водоохлаждаемый шток 8; контроллер перемещения 9 водоохлаждаемого штока 8; затравку для вытягиваемого кристалла 10; термопару 11; контроллер температуры 12 расплава 13; отверстия 14 в тигле-реакторе 15; устройство перемещения 16 нижнего штока 17.To obtain a single crystal, the Czochralski method with liquid makeup was used [Patent RU No. 2402646, 03/10/2009]. To implement the method using the installation (Fig. 1), including the crucible 1; inductor 2; Computer 3; power controller 4; melt 5, located in the main crucible 1; rotating rod 6; weight sensor 7; water-cooled stem 8; motion controller 9 water-cooled rod 8; seed for the extruded crystal 10; thermocouple 11; temperature controller 12 of the melt 13; holes 14 in the crucible reactor 15; moving device 16 of the lower rod 17.

В основной тигель 1 (фиг. 1) наплавляют шихту алюмоиттриевого граната состава Yb³⁺:Er³⁺:Y₃Al₅O₁₂, изготовленную из оксида иттрия массой 171,18 г, оксида алюминия массой 77,29 г, оксида эрбия массой 0,97 г и оксида иттербия массой 4,98 г. После этого из полученной шихты изготавливают таблетки диаметром 30-40 мм и высотой 20-25 мм. В центре таблеток просверливается отверстие диаметром 2-3 мм. Полученные просверленные в центре таблетки из шихты алюмоиттриевого граната помещают в отжиговую печь для проведения твердофазного синтеза при температуре 1200-1400°C в течение 48 часов. После этого таблетки из спеченной шихты алюмоиттриевого граната с отверстиями в центре нанизываются на иридиевый стержень, образуя, таким образом, затравку для вытягиваемого кристалла 10, закрепленную к верхнему вращающемуся штоку 6. Свободный конец затравки для вытягиваемого кристалла 10 упирается в дно основного тигля 1. Основной тигель 1, расположенный внутри индуктора 2, разогревают путем задания уровня мощности с помощью ЭВМ 3, которая управляет контроллером мощности 4. При достижении мощности, при которой происходит плавление таблеток из спеченной шихты алюмоиттриевого граната, повышение уровня мощности прекращается и выдерживается в течение времени после плавления последней таблетки, затравку для вытягиваемого кристалла 10 поднимают вверх и иридиевый стержень, на который были нанизаны таблетки, полностью оказывается над поверхностью расплава 5. После этого выключают подводимую к тиглю 1 мощность и добиваются остывания до комнатной температуры тигля 1 с закристаллизовавшимся расплавом 5.In the main crucible 1 (Fig. 1), a mixture of yttrium aluminum garnet with the composition Yb ³⁺ : Er ³⁺ : Y ₃ Al ₅ O ₁₂ made of yttrium oxide with a mass of 171.18 g, aluminum oxide with a mass of 77.29 g, and erbium oxide with a mass of 0.97 g and ytterbium oxide weighing 4.98 g. After this, tablets of 30-40 mm in diameter and 20-25 mm in height are made from the resulting mixture. A hole with a diameter of 2-3 mm is drilled in the center of the tablets. The obtained drilled in the center of the tablet from a mixture of yttrium aluminum garnet is placed in an annealing furnace for conducting solid-phase synthesis at a temperature of 1200-1400 ° C for 48 hours. After this, tablets from the sintered charge of yttrium aluminum garnet with holes in the center are strung on an iridium rod, thus forming a seed for the extruded crystal 10, fixed to the upper rotating rod 6. The free end of the seed for the extruded crystal 10 rests on the bottom of the main crucible 1. The main the crucible 1, located inside the inductor 2, is heated by setting the power level using a computer 3, which controls the power controller 4. Upon reaching the power at which the tablets melt from the sintered mixture of yttrium aluminum garnet, the increase in power level is stopped and maintained for a time after the last tablet is melted, the seed for the extruded crystal 10 is lifted up and the iridium rod on which the tablets were strung is completely above the surface of the melt 5. After that, the feed to the crucible is turned off 1 power and achieve cooling to room temperature of the crucible 1 with crystallized melt 5.

После этого тигель-реактор 15 крепят на устройство перемещения 16 нижнего штока 17. Тигель-реактор 15 центрируют относительно затравки для вытягиваемого кристалла 10 и основного тигля 1 и подводят на расстояние порядка 1 см к застывшему расплаву 5 в основном тигле 1. Включают индукционный нагрев системы тиглей 1 и 15, управляемый контроллерами температуры 12 с помощью термопары 11. Расплав 5 в основном тигле 1 плавится, после этого под контролем программного управления с помощью ЭВМ 3 тигель-реактор 15 погружается в основной тигель 1 на заданную глубину, которая определяется исходя из площади сечения тигля-реактора 15 и плотности расплава 5. При этом расплав 5 поступает в тигель-реактор 15 через отверстия 14, заполняя расплавом 13. Глубина погружения тигля-реактора 15 диаметром 3,2 см в расплав 5 предлагаемой шихты, содержащийся в основном тигле 1, составляет 1,0 см и выставляется с помощью контроллера перемещения 9 с помощью системы штоков 6 и 8. Тогда масса расплава 13 в тигле-реакторе 15 составляет:After that, the crucible reactor 15 is mounted on the moving device 16 of the lower rod 17. The crucible reactor 15 is centered relative to the seed for the extruded crystal 10 and the main crucible 1 and brought to a distance of about 1 cm to the solidified melt 5 in the main crucible 1. Turn on the induction heating of the system crucibles 1 and 15, controlled by temperature controllers 12 using a thermocouple 11. The melt 5 in the main crucible 1 melts, after which, under the control of software control using a computer 3, the crucible reactor 15 is immersed in the main crucible 1 to a predetermined depth , which is determined based on the cross-sectional area of the crucible reactor 15 and the density of the melt 5. In this case, the melt 5 enters the crucible reactor 15 through the holes 14, filling with the melt 13. The immersion depth of the crucible reactor 15 with a diameter of 3.2 cm in the melt 5 of the proposed mixture contained in the main crucible 1, is 1.0 cm and set using the displacement controller 9 using the rod system 6 and 8. Then the mass of the melt 13 in the crucible reactor 15 is:

где:Where:

S_i - площадь поперечного сечения тигля-реактора 15;S _i is the cross-sectional area of the crucible reactor 15;

ρ - плотность расплава 5.ρ is the density of the melt 5.

После этого основной тигель 1 вместе с тиглем-реактором 15 с расплавом 13 алюмоиттриевого граната остужают до комнатной температуры путем прекращения подвода мощности нагрева. Вес кристалла, получившегося из затравки для вытягиваемого кристалла 10, определяется с помощью датчика веса 7, передающего данные ЭВМ 3.After that, the main crucible 1 together with the crucible reactor 15 with the molten 13 yttrium aluminum garnet is cooled to room temperature by stopping the supply of heating power. The weight of the crystal obtained from the seed for the extruded crystal 10 is determined using the weight sensor 7, transmitting computer data 3.

В расплав 5 в основном тигле 1 досыпали 1,73 г оксида эрбия, в расплав 13 в тигле-реакторе 15 досыпали 8,89 г оксида иттербия.1.73 g of erbium oxide were added to melt 5 in the main crucible 1, 8.89 g of ytterbium oxide were added to melt 13 in the crucible-reactor 15.

Массовая скорость вытягивания кристалла 1,45 г/ч, линейная скорость опускания тигля-реактора 15 составляет 0,26 см/ч. Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава 13 вычисляют в соответствии с выражением:The mass crystal drawing speed of 1.45 g / h, the linear lowering speed of the crucible reactor 15 is 0.26 cm / h. The resulting concentration distribution for the i-th component of melt 13 is calculated in accordance with the expression:

где:Where:

N_c - число частиц в кристалле;N _c is the number of particles in the crystal;

m_с - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла 10, г;m _with - the mass of the crystal in the seed for the drawn crystal 10, g;

N_i - число частиц в тигле-реакторе 15;N _i is the number of particles in the crucible reactor 15;

m_i - масса расплава в тигле-реакторе 15, г;m _i is the mass of the melt in the crucible reactor 15, g;

k - коэффициент вхождения компонента из расплава 5 в кристалл;k is the coefficient of entry of the component from melt 5 into the crystal;

- параметр подпитки;

- recharge parameter;

V₁ - массовая скорость расплава 5, поступающего из основного тигля 1 в тигель-реактор 15, г/ч;V ₁ - mass velocity of the melt 5 coming from the main crucible 1 to the crucible reactor 15, g / h;

V_cr - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.V _cr is the mass drawing speed of the crystal, g / h.

В соответствии с выражением (6) и указанными параметрами ростового процесса распределение концентраций ионов эрбия и иттербия вдоль длины кристалла описывается в аналитическом виде с помощью формул (2) и (3).In accordance with expression (6) and the indicated parameters of the growth process, the concentration distribution of erbium and ytterbium ions along the crystal length is described in an analytical form using formulas (2) and (3).

Восходящие участки параболических профилей концентрации ионов-акцепторов a(z) (2) и доноров и b(z) (3) (фиг. 2) позволяют одновременно снизить лучевую нагрузку на входной торец активного элемента при продольной накачке, а также увеличить эффективность генерации вблизи выходного торца активного элемента. Повышение эффективности генерации связано с более высоким темпом безызлучательного переноса энергии от ионов-доноров к ионам-акцепторам, что, в свою очередь, связано с тем, что на большей части длины кристалла концентрации данных примесей превышают свое среднее эффективное значение (12,563 ат.% и 1,2563 ат.%, соответственно).The ascending portions of the parabolic concentration profiles of the acceptor ions a (z) (2) and donors and b (z) (3) (Fig. 2) simultaneously reduce the radiation load on the input end face of the active element during longitudinal pumping, as well as increase the generation efficiency near output end of the active element. The increase in the generation efficiency is associated with a higher rate of nonradiative energy transfer from donor ions to acceptor ions, which, in turn, is due to the fact that for most of the crystal length the concentrations of these impurities exceed their average effective value (12.563 at.% And 1.2563 at.%, Respectively).

Условия легирования монокристаллических оксидных матриц ионами Er³⁺ и Yb³⁺ с учетом влияния концентраций обеих примесей (C_Er, С_Yb) на значения сечений поглощения и излучения (σ_погл, σ_изл) и генерационные параметры отражены в таблице 1.The conditions for the doping of single-crystal oxide matrices with Er ³⁺ and Yb ³⁺ ions, taking into account the effect of the concentrations of both impurities (C _Er , С _Yb ) on the values of the absorption and radiation cross sections (σ _damp , σ _rad ) and lasing parameters are shown in Table 1.

Расчеты эффективности безызлучательного переноса энергии и мощности выходного лазерного излучения проводились в соответствии с программой для ЭВМ «Интерактивный комплекс расчета тепловых и генерационных параметров в градиентных лазерных кристаллах» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618765). В соответствии с данными математического моделирования процесса лазерной генерации [Строганова Е.В., Галуцкий В.В., Ткачев Д.С. и др., Оптика и спектроскопия, 2014, Т. 117, №6, с. 1012-1017] нами был получен активный лазерный элемент с изменением концентраций оптических примесей вдоль длины кристалла в соответствии соотношением (1), обеспечивающим выходную мощность лазерного излучения 13,5 мВт (№6 таблицы 1, фиг. 3), с пиковой эффективностью безызлучательного переноса энергии от ионов-сенсибилизаторов к ионам-акцепторам 87,4%).The calculations of the efficiency of non-radiative energy transfer and the output laser radiation power were carried out in accordance with the computer program "Interactive complex for calculating thermal and lasing parameters in gradient laser crystals" (certificate of state registration of the computer program No. 2012618765). In accordance with the data of mathematical modeling of the laser generation process [Stroganova E.V., Galutsky V.V., Tkachev D.S. et al., Optics and Spectroscopy, 2014, V. 117, No. 6, p. 1012-1017] we obtained an active laser element with a change in the concentration of optical impurities along the length of the crystal in accordance with relation (1), providing an output power of laser radiation of 13.5 mW (No. 6 of table 1, Fig. 3), with a peak non-radiative transfer efficiency energy from sensitizer ions to acceptor ions 87.4%).

Как видно из таблицы 1, активные лазерные элементы с однородным легированием по длине оптических примесей (№№1-3 таблицы 1) при увеличении концентраций Yb³⁺ и Er³⁺ демонстрируют рост эффективного сечения поглощения (Yb) и излучения (Er), увеличение скорости эффективного безызлучательного переноса энергии и мощности оптического излучения.As can be seen from table 1, active laser elements with uniform doping along the length of optical impurities (nos. 1-3 of table 1) with increasing concentrations of Yb ³⁺ and Er ³⁺ show an increase in the effective absorption cross section (Yb) and radiation (Er), an increase effective non-radiative energy transfer rates and optical radiation power.

Пиковая мощность выходного излучения для однородно легированного кристалла с концентрациями оптических примесей, соответствующими верхнему пределу концентраций в предлагаемом градиентном кристалле, составляет Р_вых=10 мВт (№4 таблицы 1, фиг. 3).The peak output radiation power for a uniformly doped crystal with optical impurity concentrations corresponding to the upper concentration limit in the proposed gradient crystal is _Pout = 10 mW (No. 4 of Table 1, Fig. 3).

Однако при дальнейшем увеличении концентраций оптических центров Yb и Er наблюдается резкое снижение эффективности генерационных процессов из-за возрастания уровня люминесценции ионов-доноров Yb и одновременной реабсорбции излучения (№5 таблицы 1).However, with a further increase in the concentration of the optical centers Yb and Er, a sharp decrease in the efficiency of the generation processes is observed due to an increase in the luminescence level of Yb donor ions and simultaneous reabsorption of radiation (Table 5, No. 5).

Граничные и начальные условия математического моделирования, в результате которого был получен активный лазерный элемент с оптимальными концентрационными профилями Er³⁺ и Yb³⁺ (№6 таблицы 1) определялись следующим техническим исполнением:The boundary and initial conditions of mathematical modeling, as a result of which an active laser element with optimal concentration profiles Er ³⁺ and Yb ³⁺ (No. 6 of Table 1) was obtained, was determined by the following technical design:

- резонатор Фабри-Перо длиной z=1 см, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, напыленных на торцевые грани активного элемента;- Fabry-Perot resonator length z = 1 cm, consisting of two plane-parallel mirrors sprayed onto the end faces of the active element;

- коэффициент отражения входного зеркала на длине волны 1,55 мкм равен Т_вх=0,99; - the reflection coefficient of the input mirror at a wavelength of 1.55 μm is equal to T _I = 0,99;

- коэффициент отражения выходного зеркала на длине волны 1,55 мкм равен Т_вых=0,9;- the reflection coefficient of the output mirror at a wavelength of 1.55 μm is equal to T _o = 0.9;

- значение поглощенной ионами-сенсибилизаторами мощности накачки задается соответствующим удвоенному значению пороговой мощности генерации Р_пор=0,182 Вт-Р_погл=0,364 Вт;- the value of the pump power absorbed by the sensitizer ions is set to correspond to twice the value of the threshold generation power P _por = 0.182 W-P _diff = 0.364 W;

- коэффициент конверсии накачки в возбуждение электронов лазерного уровня ионов эрбия принимался равным k_конв=0.03, с учетом потерь на такие паразитные процессы, как фононная релаксация, ап-конверсия, реабсорбция и др.;- the coefficient of conversion of pumping to excitation of electrons of the laser level of erbium ions was taken equal to k _conv = 0.03, taking into account losses from parasitic processes such as phonon relaxation, up-conversion, reabsorption, etc .;

- радиус пятна накачки составляет 125 мкм;- the radius of the pumping spot is 125 μm;

- кривизна волнового фронта составляет величину не менее 34,21 см, что позволяет считать распространяющуюся волну усиления плоской; волна накачки также предполагается плоской;- the curvature of the wavefront is at least 34.21 cm, which allows us to consider the propagating amplification wave as flat; a pump wave is also assumed to be plane;

- зафиксированные значения выходной оптической мощности (таблица 1, фиг. 4) соответствуют значению мощности на выходной грани активного элемента в центральном сечении плоскостью YZ (х=0) после двух полных обходов резонатора волной усиления (фиг. 3).- the recorded values of the output optical power (table 1, Fig. 4) correspond to the power value on the output face of the active element in the central section by the YZ plane (x = 0) after two complete rounds of the resonator by the amplification wave (Fig. 3).

В связи с динамикой роста эффективности переноса энергии и мощности генерации в зависимости от повышения концентрации ионов эрбия, представленной на фиг. 4 и 5, а также усилением паразитных энергетических процессов кросс-релаксации и an-конверсии электронного возбуждения и реабсорбции люминесценции при росте концентраций ионов эрбия и иттербия [Koechner. W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75, 75-79], в предлагаемом материале используют средние диапазоны значения концентраций обоих оптических примесей, а именно (5,0625÷16,3125) ат.% для Yb³⁺ и (0,50625÷1,63125) ат.% для Er³⁺. Дальнейшее увеличение концентрации активных ионов эрбия не обеспечивает значительного улучшения генерационных параметров («плато» на кривых выходной оптической мощности (фиг. 4)), так как уменьшается оптическое качество кристалла, развивается дефектная структура кристалла и снижается эффективность переноса энергии («плато» на кривых выходной оптической мощности (фиг. 5))·In connection with the growth dynamics of the energy transfer efficiency and the generation power, depending on the increase in the concentration of erbium ions shown in FIG. 4 and 5, as well as the enhancement of parasitic energy processes of cross-relaxation and an-conversion of electronic excitation and reabsorption of luminescence with increasing concentrations of erbium and ytterbium ions [Koechner. W. Solid-State Laser Engineering, 6 ed., Springer, 2006, p. 73-75, 75-79], the proposed material uses the average ranges of concentrations of both optical impurities, namely (5.0625 ÷ 16.3125) at.% For Yb ³⁺ and (0.50625 ÷ 1.63125) at .% for Er ³⁺ . A further increase in the concentration of active erbium ions does not provide a significant improvement in the generation parameters (“plateau” on the output optical power curves (Fig. 4)), since the optical quality of the crystal decreases, a defective crystal structure develops, and the energy transfer efficiency decreases (“plateau” on the curves output optical power (Fig. 5))

Применение активных лазерных элементов на основе монокристаллов алюмоиттриевого граната с неоднородным распределением ионов-сенсибилизаторов иттербия и ионов-акцепторов эрбия позволяет увеличить среднюю эффективную скорость безызлучательного переноса энергии до 87.4%. За счет неоднородного продольного распределения примесей в пределах средних концентраций удалось увеличить мощность генерации более чем на 30% по сравнению с однородно легированными кристаллами без увеличения степени легирования матрицы, приводящей к развитию паразитных нелинейных эффектов.The use of active laser elements based on single crystals of yttrium aluminum garnet with an inhomogeneous distribution of ytterbium sensitizer ions and erbium acceptor ions allows one to increase the average effective rate of nonradiative energy transfer to 87.4%. Due to the nonuniform longitudinal distribution of impurities within the range of average concentrations, it was possible to increase the lasing power by more than 30% compared to uniformly doped crystals without increasing the degree of doping of the matrix, leading to the development of spurious nonlinear effects.

Claims (1)

Монокристаллический материал на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами эрбия и иттербия, отличающийся тем, что активный лазерный элемент содержит исходные компоненты в соответствии со структурной формулой:

где

z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла и определяющая изменение концентрационного профиля ионов эрбия и иттербия, в системе отсчета, берущей начало на входной грани активного элемента, и имеющая значения от 0 до 1 см. A single-crystal material based on yttrium aluminum garnet activated by erbium and ytterbium ions, characterized in that the active laser element contains the initial components in accordance with the structural formula:

Where

z is the spatial coordinate directed along the length of the crystal and determining the change in the concentration profile of erbium and ytterbium ions in the reference frame originating at the input face of the active element and has values from 0 to 1 cm.

Images