Новый пассивный затвор для эрбиевых лазеров на основе нанокристаллов Сo2+:ZnO

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новый пассивный затвор для эрбиевых лазеров на основе нанокристаллов Сo²⁺:ZnO

Алексеева И.П., Дымшиц О.С., Жилин А.А., Шемчук Д.В. НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»; Скопцов Н.А., Глазунов И.В., Маляревич А.М., Юмашев К.В. НИЦ Оптических материалов и технологий, Белорусский национальный технический университет

Аннотация

Синтезирован новый лазерный стеклокристаллический материал с нанокристаллами Сo²⁺:ZnO для пассивной модуляции добротности эрбиевых лазеров. Исследованы его структурные, спектроскопические и нелинейно-оптические свойства и получена пассивная модуляция добротности эрбиевого лазера с ламповой накачкой.

нанокристалл кобальт лазер оптический

Введение

Короткоимпульсные источники лазерного излучения широко применяются для обработки материалов, в дальнометрии, для передачи и обработки информации. Одной из возможностей получать импульсное лазерное излучение является использование пассивных затворов на основе просветляющихся сред. Для пассивной модуляции добротности эрбиевых лазеров, излучающих на длине волны 1.54 мкм, используют кристаллы, активированные тетраэдрически координированными ионами двухвалентного кобальта, в частности, кристаллы алюмомагниевой шпинели [1].

Стеклокристаллические материалы (СКМ) сочетают полезные свойства монокристаллов за счет выделения соответствующей кристаллической фазы с преимуществами производства по стекольной технологии, более легкой, гибкой и дешевой, чем выращивание монокристаллов. Ранее нами были разработаны СКМ, содержащие нанокристаллы шпинелей с примесными ионами двухвалентного кобальта для пассивных затворов [2].

Разработка новых лазерных излучателей требует создания новых материалов для пассивных затворов, в частности, работающих в более дальней ИК области спектра, чем известные в настоящее время. Таким материалом может быть оксид цинка, легированный ионами Со²⁺, т.к. ионы цинка в этих кристаллах имеют тетраэдрическую координацию и, в следствие близости ионных радиусов, должны изоморфно замещаться ионами Со²⁺_. Известны прозрачные СКМ на основе нанокристаллов ZnO, активированные ионами Сo²⁺ [3], однако их свойства до сих пор не были изучены. Целью данной работы является создание прозрачного СКМ с наноразмерными кристаллами Сo²⁺:ZnO и изучение возможности его применения в качестве пассивного лазерного затвора.

1. Методика эксперимента

Исходное стекло состава (мол%) 15K₂O-30ZnO-16Al₂O₃-39SiO₂, активированное 0,1 мол% СоО, массой 200 г было синтезировано в лабораторной электрической печи при температуре 1580 ^оС в течение 3 ч в платинородиевом тигле с перемешиванием платинородиевой мешалкой, отлито на холодную металлическую плиту и отожжено при температуре 500 ^оС. Его изотермические термообработки проводились в интервале температур 680-950 ^оС в течение 2-48 ч. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре Shimadzu 6000, излучение Cu Kб c Ni фильтром, на тщательно измельченных порошках. Спектры поглощения плоскопараллельных полированных образцов толщиной 3±0,02 мм были записаны на спектрофотометре Shimadzu UV-3600. Регистрация спектров пропускания образцов стекол и стеклокерамик осуществлялась с помощью спектрофотометра Cary Varian 5000.

2. Результаты эксперимента

Прозрачное исходное стекло сине-фиолетового цвета, рентгеноаморфное согласно данным РФА (рис. 1), было термообработано в течение 2 ч. в диапазоне температур 680 - 950^оС. Нанокристаллы ZnO, появляющиеся при термообработке стекла при 700 ^оС, являются единственной кристаллической фазой до температуры 720 ^оС, включительно. При 750 ^оС на фоне кристаллов ZnO начинается кристаллизация метастабильных кристаллов в-виллемита, в-Zn₂SiO₄. Их количество, как и количество кристаллов ZnO, возрастает до температуры термообработки 860 ^оС. При повышении температуры начинается перекристаллизация в-виллемита и ZnO в б-виллемит, при этом образцы теряют прозрачность.

На рис. 2 представлены спектры поглощения исследуемых образцов, термообработанных в интервале температур 680-900 ^оС в течение 2 часов.

Рис. 1 Рентгенограммы образцов СКМ, термообработанных в течение 2 ч. при температурах 680-950 ^оС.

Рис. 2 Спектры поглощения исходного и термообработанных при температуре от 700 до 900 ^оС стекол. Время выдержки 2 ч.

Согласно виду спектра поглощения исходного стекла, ионы Со²⁺ находятся в нем в тетраэдрической и октаэдрической координации [4]. Спектр содержит две широкие полосы поглощения в диапазонах 470-720 нм (с максимумами при 525, 590 и 640 нм) и 1100-1700 нм. Такая форма спектра поглощения характерна для ионов Со²⁺ в силикатных и алюмосиликатных стеклах [4]. Термообработка приводит к изменению спектра, в нем постепенно уменьшается, а затем и пропадает полоса поглощения при 525 нм, обусловленная поглощением октаэдрически координированных ионов кобальта, и возрастает доля тетраэдрически координированных ионов. Возникает спектр поглощения, характерный для Со²⁺:ZnO [5].

Для рассматриваемых образцов рост интенсивности поглощения тетраэдрически кооординированных ионов Со²⁺ коррелирует с ростом доли закристаллизованного ZnO (по данным РФА) до температуры термообработки 860 ^оС включительно, что говорит о преимущественном вхождении этих ионов из исходного стекла в нанокристаллы ZnO в положение тетраэдрически координированных ионов Zn²⁺. При дальнейшем увеличении температуры термообработки до 900 ^оС содержание нанокристаллов ZnO в исследуемых образцах падает, а форма спектра поглощения изменяется. Возникновение полосы поглощения при 523 нм при сохранении остальных полос поглощения тетраэдрически координированных ионов Со²⁺ свидетельствует, по нашему мнению, не о выходе части ионов Со²⁺ из кристаллов ZnO в остаточное стекло, а об их вхождении в кристаллы в-виллемита, в которых ионы кобальта находятся в искаженной тетраэдрической координации [6].

Относительно низкая интенсивность полосы поглощения при 523 нм по сравнению с остальными полосами поглощения, характерными для ионов Со²⁺ как в кристаллах виллемита, так и в кристаллах ZnO, связана, по-видимому, с относительно небольшой долей кристаллов в-виллемита, выделяющихся при данной термообработке, так что спектр в основном формируется поглощением ионов кобальта в кристаллах ZnO.

Для исследования процесса выделения нанокристаллов ZnO и создания материала, в котором оксид цинка будет единственной кристаллической фазой, были проведены изотермические выдержки стекол при температурах 680 и 700 ^оС в течение 2-48 ч. Рентгенограммы образцов, термообработанных при температуре 700 ^оС, приведены на рис. 3. Нанокристаллы ZnO диаметром ~72 ± 5 Е появляются в образце, термообработанном в течение 2 часов. С ростом длительности термообработки размер кристаллов постепенно возрастает до 85 ± 5 Е. Судя по интенсивности рентгеновских отражений, количество ZnO в образцах растет с увеличением времени выдержки (рис. 3). При термообработке в течение 48 ч. наряду с кристаллами ZnO появляются также кристаллы в-Zn₂SiO_4. Можно предположить, что в процессе термообработки в течение 48 ч. содержание оксида цинка в образце достигает максимально возможного для данной температуры значения и начинается его взаимодействие с кремнеземом, которым обогащен состав остаточного стекла. В результате этого взаимодействия и начинается кристаллизация в-виллемита.

Рис. 3. Рентгенограммы образцов СКМ, термообработанных в течение 2, 24 и 48 ч. при температуре 700 ^оС.

На рис. 4 представлены спектры поглощения исходного и термообработанных при 700^оС образцов, содержащих только оксид цинка в качестве кристаллической фазы. Кристаллизация ZnO сопровождается изменением спектра поглощения исходного стекла (возникает спектр поглощения, характерный для Со²⁺:ZnO [5]).

Для исследования зависимости пропускания материала от интенсивности лазерного излучения полированный образец толщиной 3.9 мм облучался лазерными импульсами с энергией 1,3 мДж, длительностью 87 нс на длине волны 1540 нм. Диаметр сфокусированного пятна на образце составлял 70 мкм. Интенсивность излучения на образце варьировалась с помощью призмы Глана в пределах от 1 до 390 МВт/см². Кривая просветления представлена на рисунке 6.

Рис. 4. Спектры поглощения исходного и термообработанных при температуре 700^оС стекол. Время выдержки 2 и 24 ч.

Рис. 5. Спектры поглощения CКМ Со:МАС (1) и Со:ZnO(2).

Интенсивность насыщения поглощения и контраст просветления определялись из результатов моделирования экспериментальных данных. Применялась модель медленно релаксирующего поглотителя [7]:

Рис. 6. Насыщение поглощения ионов кобальта в нанокристаллах Сo²⁺:ZnO.

где I_sa=hх/у_a - интенсивность насыщения поглощения; г= у_esa/у_a - контраст просветления; у_a и у_esa - поперечное сечение поглощения из основного и возбужденного состояния соответственно. Установлено, что данный материал хорошо просветляется, контраст просветления равен г=0.6, поперечное сечение поглощения составляет у_a=2*10^-19 см².

Получена модуляция добротности лазера на эрбиевом стекле при помощи пассивного затвора с нанокристаллами Сo²⁺:ZnO. Резонатор лазера длиной 280 мм образован сферическим зеркалом с радиусом 1 м и плоским выходным зеркалом. Пропускание выходного зеркала на длине волны генерации (1,54 мкм) составляло 10%. Затвор толщиной 0.44 мм устанавливался под углом Брюстера. Начальное пропускание затвора под углом Брюстера составляет 89.4%. При работе в режиме модуляции добротности получены импульсы с энергией 0.8 мДж и длительностью 224 нс.

Выводы

1. В калиевоацинковоалюмосиликатной системе получены прозрачные СКМ, содержащие одну кристаллическую фазу - оксид цинка, а также прозрачные СКМ, содержащие смесь кристаллов оксида цинка и в-виллемита. Материал теряет прозрачность при перекристаллизации в-виллемита в кристаллы б-виллемита. При кристаллизации оксида цинка ионы Со²⁺ входят в его структуру, а начиная с 860 ^оС и в кристаллы в-виллемита.

2. СКМ с кристаллической фазой Сo²⁺:ZnO являются перспективной средой для пассивной модуляции добротности лазеров спектрального диапазона 1,4-1,7 мкм.

Список литературы

1. Yumashev K.V., Denisov I.A., Posnov N.N., Prokoshin P.V., Mikhailov V.P., Appl. Phys. B. 2000. V. 70. P. 179-184.

2. Dymshits O.S., Shashkin A.A., ., Zhilin A.A., Malyarevich A.M., Denisov I.A., Volk Y.V., Yumashev K.V., Advanced Materials Research. 2008. Vols. 39-40 P. 219-224.

3. Pinckney L. R. Phys. Chem. Glasses. 2006. V. 47. N 2. P. 127-130.

4. C.R. Bamford, Colour Generation and Control in Glass, Elsevier, Amsterdam, 1997.

5. P. Koidl, Phys. Rev. B 15 (1977) 2493.

6. Ozel E., Yurdakul H., Turan S., Ardit M., Cruciani G., Dondi M.J. Am. Ceram. Soc. 2010. V. 30. P. 3319-3329.

7. Denisov I.A., Demchuk M.I., Kuleshov N.V., Yumashev K.V. Co²⁺:LiGa₅O₈ saturable absorber passive Q-switch for 1.34 мm Nd³⁺:YAlO₃ and 1.54 мm Er³⁺:glass lasers // J. Applied Physics Letters, 2000, Vol.77, No 16, p 2455-2457

Размещено на Allbest.ru