Материалы портала «Научная Россия»

Активные среды для твердотельных лазеров среднего ИК-диапазона

Большой интерес к лазерным источникам среднего ИК-диапазона (2–5 мкм) обусловлен целым рядом научных и практических обстоятельств.

Большой интерес к лазерным источникам среднего ИК-диапазона (2–5 мкм) обусловлен целым рядом научных и практических обстоятельств. Прежде всего, в этот диапазон попадают "окна прозрачности" атмосферы, в этой же области расположены линии поглощения колебательных переходов многих молекул. Создание компактных перестраиваемых лазеров среднего ИК-диапазона позволило бы решить проблемы, относящиеся к дистанционному зондированию атмосферы и экологическому мониторингу окружающей среды (LIDAR) (например, осуществлять спектроскопическую диагностику наличия молекул примесных или загрязняющих газов). Такие источники могут применяться для решения задач метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС); переход в ИК область спектра позволит значительно повысить чувствительность метода за счет использования более сильных линий поглощения регистрируемых сред. Кроме того, возможно их применение в лазерной фотобиологии и медицине, для фотодинамической терапии и точной бескровной медицинской диагностики (в том числе раковых заболеваний) с применением безопасных для глаза излучений. Наличие источников теплового излучения в среднем ИК-диапазоне спектра, делают такие лазеры привлекательными для создания систем локации и дальнометрии. Имеется целый ряд военно-технических применений, например создание систем оптоэлектронного противодействия и систем наведения.

Кристаллы халькогенидов цинка ZnSe и ZnS, легированные ионами переходных металлов (Fe2+,Co2+,Cr2+), являются перспективными материалами для создания активных сред перестраиваемых твердотельных лазеров. Впервые лазерный эффект на кристаллах  Cr2+:ZnSe и Cr2+:ZnS был получен в 1996 году. А в 1999 году была получена импульсная генерация Fe2+:ZnSe-лазера в спектральном диапазоне 3,98 – 4,54 мкм. С тех пор интерес к этим материалам остается на высоком уровне.

В лаборатории высокочистых оптических материалов (ВОМ) Института химии высокочистых веществ РАН исследования в области создания лазерных источников среднего ИК - диапазона проводятся с 2008 года. Эти исследования выполняются совместно с кафедрой квантовой электроники ННГУ им. Н.И.Лобачевского, лабораториями кристаллических лазеров среднего ИК-диапазона (зав. лаб. Калинушкин В.П.) и физики импульсных газоразрядных лазеров (зав. лаб. Фирсов К.Н.) из ИОФ РАН им. А.М.Прохорова. В ИХВВ  методом направленного легирования переходными металлами оптических сред на основе халькогенидов цинка изготавливаются активные лазерные элементы. В ННГУ и ИОФ РАН на основе этих элементов создаются лазеры и изучаются их генерационные характеристики. К настоящему времени в отдельных направлениях получены весьма неплохие результаты. Предпосылками этих успешных исследований, несомненно,  явился имеющийся научный задел. Дело в том, что с начала 1980-ых годов в лаборатории ВОМ были разработаны научные основы технологии монолитных поликристаллических материалов ZnSe и ZnS с использованием  химического осаждения из газовой фазы (CVD – технология). На разработанных в ИХВВ уникальных CVD – установках были синтезированы халькогениды цинка в высокочистом состоянии с минимальных содержанием дефектов структуры, что необходимо при создании лазерных материалов. Имея такие среды, важно выполнить легирование синтезированных материалов таким образом, что бы внести минимальные нарушения в структуру материала. Обычно легирование CVD-ZnSe(S) проводят путем высокотемпературной твердофазной диффузии. Для этого на поверхность оптического элемента из селенида или сульфида цинка наносят металлическую пленку вводимого компонента. Затем проводят отжиг (900 – 1000 °С), в процессе которого ионы легирующего металла (допанта) встраиваются в кристаллическую решетку основного материала, замещая ионы цинка. В таком кристаллическом окружении матрицы  ионы некоторых переходных металлов (хром, железо, кобальт) приобретают способность излучать вынужденное, или стимулированное излучение.

Первоначально, в лаборатории получали кристаллы ZnSe:Cr2+ по такой методике. На фотографии приведены образцы  селенида цинка желто-лимонного цвета и легированные хромом образцы, имеющие красно-коричневую окраску.

При таком способе легирования максимальная концентрация активных ионов находится на поверхности оптического элемента, и при интенсивной оптической накачке среды, максимальное поглощение излучения будет наблюдаться также вблизи поверхности. Поскольку поверхность нелегированного оптического элемента является областью повышенной дефектности, и соответственно, поглощения, то после введения допанта поверхностное поглощение значительно возрастает, и при интенсивной накачке происходит поверхностное разрушение элемента. В 2014 году нами была разработана уникальная методика легирования, позволяющая изготавливать легированные халькогениды цинка, в которых максимальная концентрация допанта сосредоточена в объёме образца. На методику получен патент РФ. В этом случае на поверхностях оптического элемента, через которые осуществляется ввод и вывод излучения накачки и лазерного излучения концентрация легирующего иона равна нулю. Результаты по лазерной генерации на кристаллах селенида цинка легированных железом в 2014 году были опубликованы в журнале Laser Physics Letters (США). 

По разработанной методике изготовлены лазерные среды на основе Cr2+:ZnSe с заданным профилем концентрации активного иона в объеме и нулевой концентрацией на поверхности.  Изготовлен импульсно – периодический лазер, перестраиваемый в диапазоне 2140 - 2870 нм с эффективностью ~ 75 %. Лазерная стойкость синтезированных образцов более чем в два раза выше аналогичных образцов, изготовленных по традиционной технологии. 

  

 

Синтезированы образцы селенида цинка, легированные ионами железа, изготовлен лазер на ZnSe:Fe2+ и исследованы его лазерные характеристики при импульсной накачке излучением нецепного электроразрядного HF лазера. Максимальная энергия генерации составила E=192 мДж при комнатной температуре с КПД по поглощенной энергии ηabs=29%, что существенно превышает все опубликованные ранее величины. Высокий дифференциальный КПД в условиях большого пятна накачки (32%) свидетельствует о высокой оптической однородности образца ZnSe:Fe2+.

 

Гаврищук Е.М., д.х.н.,

зав. лабораторией ВОМ ИХВВ РАН

активные среды зондирование атмосферы институт химии высокочистых веществ ран ипф ран лаборатория вом ихвв ран легирование средний ик-диапазон твердотельные лазеры экологический мониторинг окружающей среды

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий