Введение к работе
Актуальность темы.
Прогресс в области разработки и применения лазеров с диодной накачкой связан, с одной стороны, с кардинальным повышением ресурса работы лазерных диодов и улучшением их генерационных характеристик, с другой - с созданием новых лазерных сред с высокой концентрацией редкоземельных активаторных ионов. Эти среды характеризуются высоким уровнем поглощения излучения диодной накачки и имеют рабочую длину ~ 1 мм, что значительно упрощает задачу достижения максимальной плотности мощности возбуждающего излучения в активном элементе. Актива-торный ион является, как правило, элементом кристаллической решетки. При концентрациях активаторов до 1+2 х 1021 см"3 концентрационное тушение люминесценции незначительно, что обусловлено высокой степенью экранированности 4/^оболочки редкоземельных ионов-активаторов.
Очевидно, что возможность промышленного применения того или иного'лазерного материала определяется не только концентрацией активатора, но и рядом других его физических свойств, таких как поперечные сечения переходов при генерации и поглощении, время жизни верхнего лазерного уровня, лазерная и механическая прочность, теплопроводность и т.д. Не менее важным является и технологическая доступность материала, т. е. возможность выращивания высококачественных кристаллов.
Из сотен исследованных до настоящего времени лазерных кристаллов в коммерческих целях применяются единицы, что обусловлено, подчеркнем еще раз, не столько уникальностью лазерных свойств этих кристаллов, сколько «технологичностью» самой кристаллической матрицы. Не требует доказательства утверждение, что затраты на разработку технологии выращивания потенциально лазерной кристаллической матрицы во много раз превышают затраты на создание непосредственно нового лазерного материала на ее основе.
В этой связи представляют интерес работы по созданию новой универсальной кристаллической матрицы, допускающей введение различных активаторных ионов в высоких концентрациях и ориентированной на применение в лазерах с диодной накачкой. Исследования последних лет, проведенные в отечественных и зарубежных лазерных центрах, подтвердили, что лантан-скандиевый борат, активированный ионами Nd; Nd,Cr; Pr; Er.Yb, является именно такой лазерной средой. Все изложенное выше обусловливает актуальность темы и в научном и практическом аспектах.
Объекты и методы исследования.
Объектами исследований являлись монокристаллы лантан-скандиевого бората LaSc3(B03)4 (LSB), допированные ионами Nd, Cr, Er, Yb и Рг. Критерий выбора был основан на их научной и практической значимости,
обусловленной активными свойствами и возможностью расширения элементной базы для компактных лазеров, излучающих в диапазонах 1.06, 1.56 мкм.
В тексте для высококонцентрированных лазерных кристаллов типа NdxLai.xSc3(B03)4, La(YbxSci.x)3(B03)4 и т.д., в которых активаторный или сенсибилизаторный ионы являются элементами кристаллической решетки, применяется общепринятое обозначение Nd:LSB, Yb:LSB и т.д. В тех случаях, когда для исследуемых соединений приводятся численные значения концентраций активатора (сенсибилизатора), следует иметь в виду, что концентрации указаны по содержанию этих компонентов в расплаве, из которого выращивался кристалл.
Экспериментальные исследования выращенных кристаллов включали в себя измерения оптических, спектрально-люминесцентных и рентгенографических характеристик, а также генерационные испытания в лазерах с ламповой и диодной накачками. Монокристаллы выращивались из расплава по методу Чохральского.
Часть диссертационной работы выполнена в рамках научно-исследовательского проекта Международного Научно-Технического Центра (МНТЦ) № 251-96 "Разработка новой среды на основе редкоземельных скандоборатов для создания лазерных источников, излучающих в диапазонах 0.53,1.06,1.5 мкм".
Цель работы состояла в предложении и обосновании оптимальной кристаллической матрицы для лазеров с диодной накачкой, выращивании лазерных кристаллов на ее основе и доказательстве целесообразности их использования в качестве элементной базы.
Отправная идея заключалась в выборе в качестве кристаллической матрицы лантан-скандиевого бората. Крупные ионы лантана и скандия наиболее предпочтительны для октаэдрических позиций редкоземельных элементов в боратах с хантитовой структурой. Кроме того, они способствуют высокотемпературной стабилизации кристаллической структуры при формировании соответствующего ей состава расплава, а частичное замещение ионов лантана ионами неодима или празеодима мало искажает ее кристаллическую структуру LSB.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
изучить физико-химические особенности выращивания кристаллов LSB из расплава по методу Чохральского;
вырастить лазерные кристаллы высокого оптического качества;
исследовать их структурные, спектрально-люминесцентные и тепловые свойства;
провести генерационные испытания выращенных кристаллов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
создана новая кристаллическая матрица для компактных лазеров -лантан-скандиевый борат;
-
впервые исследованы фазовые соотношения в системах ЬагОз-SC2O3-B2O3 в окрестности соединения LaSc3(B03)4 и NCI2O3-SC2O3-B2O3 в окрестности соединения NdSc3(B03)4; подтвержден инконгруэнтный характер плавления лантан-скандиевого бората при температуре 1495 С и неодим-скандиевого бората при температуре 1480 С;
-
построена диаграмма состояния системы РгВОз - ScB03 в области температур 1300-1600 С и установлен инконгруэнтный характер плавления соединения Рг8сз(ВОз)4 (PSB) при температуре 1480 С;
-
определены допустимые концентрации компонентов расплава для выращивания совершенных кристаллов LSB, Nd:LSB, Nd,Cr:LSB, Yb:LSB, Er,Yb:LSB, Er.Yb.Cr.LSB, Pr.LSB, PSB;
5) на основании проведенных измерений спектрально-
люминесцентных и генерационных характеристик кристаллов Nd:LSB,
Nd,Cr:LSB, Er,Yb,Cr:LSB, а также измерений спектрально-
люминесцентных характеристик кристаллов Pr:LSB, PSB, Er,Yb:LSB уста
новлена их перспективность в качестве активных сред для компактных ла
зеров;
6) впервые выполнено рентгеноструктурное исследование монокри
сталлических образцов РгхЬаі.х5с3(ВОз)4; установлено существование не
прерывного ряда твердых растворов в интервале концентраций 0 < X < 0.5;
показано, что в окрестности концентраций 0.5 < X < 0.9 происходит изме
нение пространственной группы симметрии соединения (С2/с при X < 0.5
и С2 при X > 0.9).
Научно-практическое значение работы.
-
Разработана технология выращивания совершенных лазерных кристаллов Nd'.LSB с концентрацией активатора от 10 до 30 % at. по позиции лантана по методу Чохральского на установке «Кристалл-3». Данная технология применяется в НПО «Фирн» для выращивания кристаллов Nd:LSB, которые используются рядом российских и зарубежных фирм при производстве компактных лазеров с диодной накачкой.
-
Разработанная автором новая активная кристаллическая среда для 1.56 мкм лазеров с диодной накачкой Er,Yb:LSB может быть использована при создании безопасных для зрения компактных лазерных дальномеров, что подтверждается результатами испытаний, проведенных в Институте лазерной физики при Гамбургском университете.
-
Выращенные кристаллы Рго.озЬао.97$Сз(ВОэ)4 могут быть использовав ны при проведении исследовательских работ по созданию лазеров с диод-
ной накачкой, излучающих в окрестности 0.65 мкм и пассивных затворов для 1.56 мкм лазеров.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способ высокотемпературной стабилизации кристаллической структуры лантан-скандиевого бората путем формирования адекватного ей состава расплава.
-
Экспериментально найденные области составов расплавов для выращивания оптически однородных лазерных монокристаллов Nd:LSB, Nd,Cr:LSB, Er,Yb:LSB, Er.Yb.Cr.LSB и Pr.LSB.
-
Технология и условия выращивания совершенных лазерных монокристаллов Nd:LSB, Nd,Cr:LSB (Nd - 10-30 % at в позиции лантана, Ст - 0.3-1.5 % at в позиции скандия), Er,Yb:LSB, Er,Yb,Cr:LSB (Er - 0.3-1.0 % at, Yb - 10 % at и Cr - 0.3-1.5 % at в позиции скандия) и Pr:LSB (Pr -3-20 % at и 90-100 % at в позиции лантана).
-
Выбор оптимальных концентраций активаторов в лазерных кристаллах Nd-.LSB, Nd,Cr:LSB, Er,Yb:LSB, Er,Yb,Cr:LSB и Pr.LSB на основе анализа их рентгеноструктурных, спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик.
-
Новые кристаллы Nd:LSB (Nd - 10,17, 25, ЗО % at), Nd,Cr:LSB (Nd -17 % at; Cr - 0.3, 0.7 % at), Er,Yb:LSB (Er - 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 % at; Yb -10 % at) и Er,Yb,Cr:LSB (Er -0.3, 0.5, 0.7, 1.0 % at; Yb - 10 % at; Cr - 0.3, 0.7 % at), результаты генерационных испытаний этих кристаллов и выводы, сделанные на основе результатов испытаний: разработанные активные среды перспективны для лазеров с диодной накачкой, излучающих в окрестности 1.06, 1.56 мкм.
Апробация работы.
Основные результаты работы и ее научные положения докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Москва, 1988; IX Феофиловский симпозиум по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, Ленинград, 1990; Всесоюзная конференция «Физика и применение твердотельных лазеров», Москва, 1990; CLEO/EUROPE'96, Hamburg, Germany; IX Международная конференция Оптика Лазеров'98, С-Петербург, Россия; The 12th Int. Conf. on Crystal Growth. 1998, Israel.
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ и получено одно авторское свидетельство. Перечень работ приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации 112 страниц, в том числе 12 таблиц, 21 рисунок и библиографический список из 83 наименований.
