CS245139B1

CS245139B1 - A melt for single crystal growth of yttritium aluminum garnet for lasers with limited reinforcement

Info

Publication number: CS245139B1
Application number: CS851818A
Authority: CS
Inventors: Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Jiri Kubelka; Ivan Boucek; Bohumil Perner
Original assignee: Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Jiri Kubelka; Ivan Boucek; Bohumil Perner
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1986-08-14
Also published as: CS181885A1

Abstract

Tavenina pro pěstování monokrystalů yttritohlinitého granátu pro lasery s omezeným zesílením pro použití v klíčovaných laserech, zvyšující jejich stabilitu a snižující citlivost i na malé změny čerpacích a jiných parametrů, pěstovaných pod ochrannou atmosférou, složenou z argonu a vodíku, kde tavenina ze směsi oxidů obsahuje na počátku růstu monokrystalů ionty hliníku, yttria, neodymu a praseodymu v atomárním poměru 5 : 2,8 až 2,9 : 0,12 až 0,18 : 0,001 až 0,01.Melt for growing single crystals of yttrium aluminum garnet for lasers with limited gain for use in keyed lasers, increasing their stability and reducing sensitivity to even small changes in pumping and other parameters, grown under a protective atmosphere composed of argon and hydrogen, where the melt from a mixture of oxides contains, at the beginning of single crystal growth, ions of aluminum, yttrium, neodymium and praseodymium in an atomic ratio of 5 : 2.8 to 2.9 : 0.12 to 0.18 : 0.001 to 0.01.

Description

Vynález se týká taveniny pro pěstování monokrystalů yttritohlinitého granátu, aktivovaného ionty neodymu, pro lasery s omezeným zesílením v (klíčovaném provozu.The invention relates to a melt for the cultivation of neodymium-activated yttrium-aluminum garnet single crystals for lasers with limited gain in (keyed operation).

Klíčované lasery, ve kterých se energie nahromaděná čerpáním v aktivním materiálu, po snížení ztrát rezonátoru, přemění ve velmi krátký laserový puls o vysokém výkonu, mají velký význam v celé řadě aplikací. Většinou je přitom zapotřebí, aby puls nebyl deformován, tj. aby měl jediné maximum a zejména, aby místo jediného pulsu nevznikly při jednom záblesku výbojky dva nebo více pulsů. K těmto nežádoucím jevům dochází pravidelně tehdy, když koeficient zesílení světla v aktivním materiálu je velký a rychlost spínání, tj. rychlost poklesu ztrát rezonátoru je malá, takže část nahromaděné energie se přemění na laserový puls již při neúplném sepnutí rezonátoru, zbytek po dalším snížení jeho ztrát. Zesílení je přímo úměrné čerpání a průřezu laserového přechodu v aktivním materiálu, ikterý má v případě yttritohlinitého granátu aktivovaného ionty neodymu zvláště vysokou hodnotu. Proto je laser s uvedeným aktivním materiálem klíčovaný pomalu spínající, například mechanickooptickou uzávěrkou značně nestabilní a citlivý i na malé změny čerpacích i jiných parametrů, které se ihned projeví značnou změnou parametrů výstupních.Keyed lasers, in which the energy accumulated by pumping in the active material, after reducing the resonator losses, turn into a very short high-power laser pulse, are of great importance in a wide range of applications. In most cases, it is necessary that the pulse is not deformed, i.e. it has a single maximum and, in particular, that two or more pulses do not occur in a single flash of the lamp instead of a single pulse. These undesirable phenomena occur regularly when the light amplification coefficient in the active material is large and the switching speed, ie the rate of loss of the resonator losses is small, so that some of the accumulated energy is converted to a laser pulse even when the resonator is not fully switched on. losses. The gain is proportional to the pumping and cross-section of the laser transition in the active material, which is particularly high in the case of neodymium-activated yttrium-aluminum garnet. Therefore, the laser with said active material is keyed by a slow switching, for example mechanical-optic shutter, very unstable and sensitive even to small changes of pumping and other parameters, which immediately show a significant change in output parameters.

Uvedenou nežádoucí citlivost laseru lze výrazně potlačit při použití yttritohlinitého granátu pěstovaného z taveniny podle vynálezu pro pěstování monokrystalů yttritohlinitého granátu pro lasery s omezeným zesílením tažením pod ochrannou atmosférou, obsahující 50 až 98 obj. % argonu a 49,5 až 1,5 obj. % vodíku, tvořené oxidy, jehož podstata spočívá v tom, že tavenina obsahuje na počátku růstu monokrystalu ionty hliníku, yttria, neodymu a praseodymu v atomárním poměru 5 : 2,8 až 2,9 : 0,12 až 0,18 : 0,001 až 0,01.Said undesirable laser sensitivity can be significantly reduced by using the melt-grown yttrium-aluminum garnet of the invention for cultivating yttrium-aluminum garnet single crystals for lasers with a reduced drawing by protective atmosphere containing 50 to 98 vol% argon and 49.5 to 1.5 vol% of oxides of hydrogen, characterized in that the melt contains at the beginning of the growth of the single crystal aluminum, yttrium, neodymium and praseodymium ions in an atomic ratio of 5: 2.8 to 2.9: 0.12 to 0.18: 0.001 to 0 , 01.

Vypěstovaný monokrystal obsahuje potom přibližně 5- až 6krát méně neodymu a praseodymu než tavenina. Ionty praseodymu zkracují dobu života luminiscence iontů neodymu, což znamená, že vzrůstajícím čerpáním vzrůstají i ztráty energie, tj. inverze v aktivním materiálu. Tím se laser, ve kterém je uvedený aktivní materiál použit, stává relativně necitlivým na kolísání čerpací energie a další nepravidelnosti čerpacích pulsů. Pro danou kombinaci laseru je přitom třeba nalézt optimální koncentraci neodymu a praseodymu v uvedených mezích. Při zcela nízké koncentraci praseodymu v yttritohlinitém granátu aktivovaném neodymem je jeho účinek nedostatečný, při vysoké koncentraci je účinnost laseru nedostatečná. V každém případě je však podstatné, aby růst monokrystalu probíhal v redukční atmosféře, protože v oxidační, případně neutrální atmosféře, se část iontů praseodymu, zřejmě jako čtyřmocné, zabu4 duje v oktaedrických polohách,; což má za následek takový mechanismus zhášení luminiscence iontů neodymu, který je nezávislý na čerpací energii, respektive inverzi, a proto je z hlediska stabilizace výstupních parametrů nežádoucí. Z téhož důvodu je vhodné případnou temperaci monokrystalů provádět v atmosféře vodíku nebo ve vakuu. Vedle iontů praseodymu lze do taveniny oxidů před růstem monokrystalu přidat i další příměs v malé koncentraci, upravující příznivě pěstovací podmínky nebo jakost laserové tyče, například ionty ceru.The cultured single crystal then contains approximately 5- to 6-fold less neodymium and praseodymium than the melt. The praseodymium ions shorten the lifetime of the neodymium ion luminescence, which means that as energy is pumped, energy losses, ie inversions in the active material, increase. Thus, the laser in which the active material is used becomes relatively insensitive to pumping energy fluctuations and other pulsation irregularities. For a given laser combination, it is necessary to find the optimum neodymium and praseodymium concentration within these limits. At a very low concentration of praseodymium in a yttrium-aluminum garnet activated by neodymium, its effect is insufficient, at high concentration the laser efficiency is insufficient. In any case, however, it is essential that the single crystal growth takes place in a reducing atmosphere, since in an oxidizing or neutral atmosphere, part of the praseodymium ions, apparently as tetravalent, are incorporated in octahedral positions; which results in a mechanism for extinguishing the luminescence of neodymium ions that is independent of pumping energy or inversion, and is therefore undesirable from the standpoint of stabilizing the output parameters. For the same reason it is advisable to carry out a possible tempering of the single crystals in a hydrogen atmosphere or in a vacuum. In addition to praseodymium ions, other low-concentration impurities may be added to the melt oxides prior to monocrystal growth, favoring the cultivation conditions or the quality of the laser bar, for example cerium ions.

Z taveniny podle vynálezu lze pěstovat monokrystaly yttritohlinitého granátu aktivovaného ionty neodymu, vhodné jako aktivní materiál pro lasery se stálými, na vnějších podmínkách relativně nezávislými parametry výstupního svazku.Neodymium-activated yttrium-aluminum garnet monocrystals can be grown from the melt according to the invention, suitable as active material for lasers with stable output beam parameters that are relatively independent of external conditions.

Příklad 1Example 1

V molybdenovém kelímku o vnitřním průměru 0 cm a výšce rovněž 6 cm byla pod atmosférou složenou z 90 obj. % argonu a 10 obj. % vodíku roztavena směs sestávající z 248,1 g oxidu hlinitého, 313 g oxidu yttritého, 25 g oxidu neodymitého a 0,2 g oxidu praseodymutého, což odpovídá obsahu iontů hliníku, yttria, neodymu a praseodymu v atomárním poměru 5 : 2,84 : 0,152 : : 0,0012. Ze vzniklé taveniny byl vypěstován monokrystal o průměru 26 mm a délce 70 milimetrů, z něhož byly zhotoveny laserové tyče O' průměru 4 mm a délce 50 mm. Při použití v klíčovaném laseru s elektrooptickou uzávěrkou a polarizátorem, jehož stupeň polarizace činil pouhých 85 %, byl v rozmezí čerpací energie 10 až 40 J emitován jednoduchý puls o šířce 25 ns a energie maximálně 80 mj. Laserová tyč stejných rozměrů, zhotovená z téhož monokrystalu, ale zahřívaného po vypěstování na vzduchu při teplotě 1 500 °C po dobu 10 hod. poskytla při použití v témže laseru jednoduchý výstupní puls při čerpání nejvýše 36 J. Při vyšších čerpáních byl výstupní puls částečně deformován. Stejný laser s tyčí vyrobenou z monokrystalu yttritohlinitého granátu, ale bez příměsi iontů praseodymu emitoval nedeformovaný světelný puls při čerpání nejvýše 32 J.In a molybdenum crucible with an inner diameter of 0 cm and a height of 6 cm, a mixture consisting of 248.1 g of alumina, 313 g of yttrium oxide, 25 g of neodymium oxide and a mixture of 248.1 g of alumina, 0.2 g praseodymium oxide corresponding to the content of aluminum, yttrium, neodymium and praseodymium ions in an atomic ratio of 5: 2,84: 0,152:: 0,0012. A single crystal having a diameter of 26 mm and a length of 70 millimeters was grown from the resulting melt, from which 4 mm diameter and 50 mm length laser bars were made. When used in a keyed laser with an electro-optic shutter and a polarizer with a polarization degree of only 85%, a single pulse of 25 ns and maximum energy of 80 IU was emitted within a pumping energy range of 10 to 40 J. but heated after being grown in air at 1500 ° C for 10 hours, gave a single output pulse with a maximum pumping rate of 36 J when used in the same laser. At higher pumping rates, the output pulse was partially deformed. The same laser with a rod made of yttrium-aluminum garnet single crystal, but without the addition of praseodymium ions, emitted a non-deformed light pulse when pumping at most 32 J.

Příklad 2Example 2

Monokrystal yttritohlinitého granátu o hmotnosti 285 g, vypěstovaný z taveniny sestávající z 744 g oxidu hlinitého, 940 g oxidu yttritého·, 77 g oxidu neodymitého, 1,8 g oxidu praseodymitého a příměsi 1,2 g oxidu čeřitého, což odpovídalo obsahu iontů hliníku, yttria, neodymu, praseodymu a ceru v atomárním poměru 5 : 2,852 : 0,156 : 0,0035 :A 285 grams yttrium aluminum garnet monocrystal of 744 grams of alumina, 940 grams of yttrium oxide, 77 grams of neodymium oxide, 1.8 grams of praseodymium oxide, and an admixture of 1.2 grams of cerium oxide corresponding to the aluminum ion content, yttrium, neodymium, praseodymium and cerium in atomic ratio 5: 2,852: 0,156: 0,0035:

: 0,0023 pod atmosférou složenou z 85,5 obj. proč. argonu a 14,5 obj. % vodíku byl temperován po dobu 10 hod. při teplotě 1 600 °C .24 5 1 39 ve vodíku. Poté byl zpracován na laserové tyče o průměru 6 mm a délce 60 mm. Tyče byly použity v laseru spínaném mechanickooptickou uzávěrkou s výstupním zrcadlem o reflektivitě 40 % pro vlnovou délku 1,60 fim. V rozmezí čerpacích energií 21 až 38 J emitoval laser jednoduchý světelný puls o šířce 38 ns a energii přibližně 40 mj. Při vyšším čerpání se jednoduchý výstupní puls zdvojil. Laserové tyče stejných rozměrů zhotovených z monokrystalu vypěstovaného z taveniny bez obsahu iontů praseodymu, umožnily ve stejném laseru emisi jednoduchých světelných pulsů jen v oblasti čerpacích energií 21 až 30 J.: 0.0023 under an atmosphere of 85.5 vols why. argon and 14.5 vol% hydrogen were tempered for 10 hours at 1600 ° C. 24 5 1 39 in hydrogen. It was then processed into laser bars with a diameter of 6 mm and a length of 60 mm. The bars were used in a laser switched mechanical-optic shutter with an output mirror of 40% reflectivity for a wavelength of 1.60 µm. In the pumping energy range of 21 to 38 J, the laser emitted a single light pulse of 38 ns wide and an energy of approximately 40 IU. At higher pumping, the single output pulse doubled. Laser rods of the same size, made of a single crystal produced from melt free of praseodymium ions, allowed the emission of simple light pulses in the same laser only in the pumping energy range of 21 to 30 J.

Claims

A melt for the cultivation of yttrium aluminum garnet monocrystals for limited amplification, drawing under protective atmosphere lasers containing 50 to 98 vol% argon and 49.5 to 1.5 vol% hydrogen formed by oxides, the invention comprising: the onset of single crystal growth by aluminum, yttrium, neodymium and praseodymium ions in an atomic ratio of 5: 2.8 to 2.9: 0.12 to 0.18: 0.001 to 0.01.