0684

1. Введение

В последнее время большое внимание уделяется керамическим лазерным материалам, особенно композитным, т. к. для лазеров на их основе была получена эффективная генерация и их качество непрерывно улучшается в последние 20 лет [1, 2]. При этом технология изготовления лазерной керамики по сравнению с технологией изготовления монокристаллов позволяет получать элементы большого размера и сложных форм с высоким и однородным распределением легирующей примеси (или с заданным профилем распределения легирующей примеси), а также различных составных элементов в едином технологическом процессе. Особый интерес представляют композитные лазерные чип-элементы с пассивной модуляцией добротности, в частности Nd3+ : YAG/Cr4+ : YAG [3, 4]. Такие лазеры обеспечивают короткую длительность и высокую пиковую мощностью импульса; они находят широкое применение в современных высокотехнологичных системах, например в лазерных дальномерах или системах поджига в двигателях внутреннего сгора-

ния [5].

До недавнего времени для создания лазерных чипрезонаторов использовались в основном монокристаллические элементы, свариваемые методом диффузионной сварки [6 – 9]. Для керамики существует большое разно­ образие методов создания композитов [10 –19]. Метод диффузионной сварки применим и к керамическим элементам [5, 19, 20]. Однако в случае монокристаллов такой подход имеет ряд недостатков, в частности необходимость совмещения кристаллографических осей активной области и области насыщающегося поглотителя, а сам процесс диффузионной сварки весьма трудоемок. Соот­

А.Ю.Канаев, А.Л.Коромыслов, И.М.Тупицын, Е.А.Чешев. Физи­ ческий институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва,

Ленинский просп., 53; e-mail: imtupitsyn@yandex.ru

К.В.Лопухин. Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Россия, Московская обл., 141190 Фрязино, пл. Акад. Введенского, 1

Поступила в редакцию 3 октября 2023 г., после доработки – 8 но­ ября 2023 г.

ветственно, чем больше областей будет включать в себя композитный элемент, тем сложнее будет его изготовить. Обычно лазер с чип-резонатором может включать в состав две или три области: активную Nd : YAG, области с насыщающемся поглотителем, как правило, Cr4+ : YAG, V : YAG, а с одного или обоих торцов могут включаться области из чистого YAG для уменьшения тепловой нагрузки [12]. Конечно, композитные элементы можно сделать и на основе монокристаллов, но разнообразие типов таких композитов сильно ограничено по сравнению с керамическими композитами [21 – 23].

Одна из проблем в технологии композитных керамик на основе составов Nd3+ : YAG/Cr4+ : YAG заключается в том, что Nd3+ : YAG- и Cr4+ : YAG-части композита имеют сильно различающиеся оптимальные температуры спекания и наборы спекающих добавок [24]. Как известно, керамика Nd3+ : YAG в основном изготавливается именно с SiO2 в качестве спекающей добавки, при этом SiO2 блокирует переход ионов Cr3+ в Cr4+ [24, 25], а в процессе изготовления монолитных композитов SiO2 вследствие диффузии неизбежно проникал бы в область Cr, а также мог бы приводить к снижению пропускания вблизи границы материалов [26]. Кроме того, керамика со спекающей добавкой SiO2 и керамика со спекающей добавкой CaO/MgO имеют сильно различающиеся кривые усадки, что может приводить к нежелательным эффектам, таким как деформация образца при создании композитов стержневой геометрии. Композиты радиальной геометрии были успешно изготовлены [11, 24], но их граница не была исследована.

В связи с этим привлекательной выглядит разработка технологии производства керамических элементов на основе состава Nd3+ : YAG/Cr4+ : YAG в едином технологическом процессе. В работе [27] нами продемонстрирована технология изготовления керамик Nd3+ : YAG и Cr4+ : YAG с одинаковыми оптимальными температурами спекания и одинаковыми спекающими добавками без использования SiO2. В настоящей работе проведены исследования лазерных чип-резонаторов с насыщающимся поглотителем, изготовленных в едином технологическом процессе без использования SiO2 в качестве спекающей добавки.

оптическому качеству образцам, полученным из осажденного Y2O3, содержащего S6+.

Для исследования профиля химического состава в области границы между частями композитного элемента было пошагово измерено пропускание в направлении, пер­ пендикулярном оси оптического элемента. Внешний вид такого элемента, а также чип-резонатора и заготовки S2, из которой они были изготовлены, приведены на рис.2.

Измерения проводились на длине волны 808 нм (пере-

ход 4I9/2 ® 4F5/2, 2H9/2 ионов Nd3+) и длине волны 613 нм (переход 3B1 (3A2) ® 3E (3T1) + [n] ионов Cr4+). Измеренное

пропускание обратно пропорционально концентрации ионов. Сканируя вдоль оси заготовки, мы определили профиль и ширину границы раздела. Результаты пред-

Рис.3.  Пропускание образца в направлении, перпендикулярном оси оптического элемента, на длинах волн 613 и 808 нм.

ставлены на рис.3. Ширина области взаимной диффузии составила ~400 мкм, это на 1 – 3 порядка больше, чем при соединении образцов диффузионной сваркой [19], что может быть обусловлено различием в технологии изготовления и в коэффициентах диффузии материалов. На рис.4 приведены снимки сколов различных частей образца S2 со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Phenom ProX. Измеренный размер зерен в области насыщающегося поглотителя Cr был незначительно меньше, чем в области, допированной ионами Nd. Размер зерен составил в Nd : YAG ~21 мкм и в Cr :YAG ~16 мкм, что связано с влиянием ионов Nd и Cr [27].

4. Лазерные характеристики

Исследование лазерных характеристик проводилось в схеме продольной накачки. Принципиальная схема лабораторного стенда, используемого для измерения лазерных характеристик приведена на рис.5.

Рис.5.  Принципиальная схема стенда:

1 – лазерный диод; 2 – волоконный выход; 3 – фокусирующая оптика; 4 – чип-резонатор; 5 – полупрозрачное зеркало; 6 – фотоприемник; 7 – осциллограф; 8, 9 – измерители мощности с цифровым табло.

Для накачки чип-резонаторов был использован одиночный лазерный диод FocusLight с длиной волны генерации 808 нм и мощностью до 10 Вт. Излучение диода фокусировалось с помощью цилиндрической и плоско­ сферической линзы в пятно с размерами по полуосям wl = 127 ´ 116 мкм внутри композитного элемента. Накачка осуществлялась в квазинепрерывном режиме (длительность импульсов накачки t = 250 мкс, частота следования n = 200 Гц ). В этих условиях для образца S1 была получе-

на энергия импульса генерации Epulse = 90 мкДж при длительности импульса t = 1.0 нс, для образцов S2 – Epulse = 60 мкДж при t = 1.0 нс, для монокристалического образ-

ца MC1 – Epulse = 89 мкДж при t = 0.7 нс. Измеренные генерационные характеристики приведены в табл.1.

Табл.1.  Характеристики лазеров с накачкой одиночным диодом.

Как следует из табл.1, керамический чип-резонатор S1 продемонстрировал сравнимые энергии генерации в импульсе c монокристаллическим чип-резонатором MC1 при близких значениях коэффициента отражения выходного зеркала R и начального пропускания насыщаю­ щегося поглотителя T0. Незначительная разница в длительности импульсов генерации объясняется различной длиной чип-резонатора и, помимо этого, может быть обусловлена поляризационными различиями динамики просветления­ насыщающегося поглотителя на основе кристалла и керамики, как показано в работе [33].

Для повышения энергии импульса генерации были увеличены размеры пучка накачки и проведены измерения лазерных характеристик керамических чип-резона­ торов S1 и S2 в зависимости от радиуса пучка накачки. В качестве накачки использовался лазерный модуль BWT мощностью­ до 35 Вт с волоконным выходом 105 мкм и числовой апертурой NA = 0.22, излучение которого фокусировалось с помощью системы сферических линз. Модуляция излучения накачки осуществлялась с помощью вращающегося диска с щелями, обеспечивающим длительность импульса накачки t = 400 мкс с периодом

Табл.2.  Лазерные характеристики чип-резонаторов образцов S1 и S2 в зависимости от размера пятна накачки.

Примечание: для образца S1 T0 = 52 %, R = 50 %, для образца S2 T0 = 63 %, R = 60 %; Ep – энергия импульса накачки.

повторения 34.6 мс ( f = 28.9 Гц). Были выбраны три радиуса пучка накачки – 152, 231 и 421 мкм, что обеспечивало три режима накачки – при размере пучка, меньшем, сопоставимом и значительно превышающем размер нулевой моды. Размер нулевой моды определялся так же, как в работе [34], и составил около 220, 227 и 281 мкм на пороге генерации. Для различных условий были измерены лазерные характеристики, которые приведены на рис.6 и в табл.2.

Видно, что образец S1 демонстрирует рост энергии импульса при увеличении области инверсии в активном элементе, в то время как для образца S2 рост энергии в импульсе несущественен. Данное обстоятельство может быть объяснено в случае S2 более добротным резонатором при меньшем контрасте насыщающегося поглотителя, что согласуется с меньшим коэффициентом поглощения в образце, а также с наличием потерь на рассеяние.

5. Заключение

Продемонстрирована технология изготовления монолитных керамических чип-резонаторов Nd3+ : YAG/Cr4+ : YAG и исследованы генерационные характеристики лазеров на их основе. Толщина переходных областей между Nd3+ : YAG и Cr4+ : YAG в керамических элементах составила 400 мкм. Получена энергия импульса генерации до 200 мкДж при длительности до 0.9 нс и частоте следования импульсов 7.5 кГц для радиуса пучка накачки, сопоставимого с размером основной моды резонатора. Про­

ведено сравнение­ керамических чип-резонаторов со спаянным монокристаллическим­ элементом. Полученные результаты свидетельствует­ о том, что выходные характеристики исследуемых керамических образцов чип-резо­ наторов и моно­­ кристаллических­ элементов сравнимы.

1.Sanghera J., Kim W., Villalobos G., Shaw B., Baker C., Frantz J., Hunt M., Sadowski B., Aggarwal I. Proc.SPIE, 8187, 81870G (2011).

2.Безотосный В.В., Балашов В.В., Булаев В.Д., Каминский А.А., Канаев А.Ю., Кравченко В.Б., Киселев А.В., Копылов Ю.Л., Коромыслов А.Л., Крохин О.Н., Лопухин К.В., Лысенко С.Л., Панков М.А., Полевов К.А., Попов Ю.М., Чешев Е.А.,

Тупицын И.М. Квантовая электроника, 48, 802 (2018) [Quantum Electron., 48, 802 (2018)].

3.Zayhowski J.J., Dill C. Opt. Lett., 19, 1427 (1994).

4.Zayhowski J.J. J. Alloys Compd., 303 – 304, 393 (2000).

5.Pavel N., Tsunekane M., Taira T. Opt. Express, 19, 9378 (2011).

6.Степанцов Е.А. Патент SU 1116100 A1 (заявка от 23.08.1982,

опубликован 30.09.1984).

7.Feldman R., Shimony Y., Burshtein Z. Opt. Mater., 24, 393 (2003).

8.Miao J., Wang B., Peng J., Tan H., Bian H. Opt. Laser Technol., 40, 137 (2008).

9.Kuznetsov D.A., Levtchuk E.A., Okhrimchuk A.G., Shestakov A.V. Proc.SPIE,6731,67312X(2007);https://doi.org./10.1117/12.753020.

10.Liu W., Zeng Y., Li J., Shen Y., Bo Y., Zong N., Wang P., Xu Y., Xu J., Cui D., Peng Q., Xu Z., Zhang D., Pan Y. J. Alloys Compd., 527, 66 (2012).

11.Osipov V.V., Shitov V.A., Solomonov V.I., Lukyashin K.E., Spirina A.V., Maksimov R.N. Ceram. Int., 41, 13277 (2015).

12.Fu Y., Ge L., Li J., Liu Y., Ivanov M., Liu L., Zhao H., Pan Y., Guo J. Opt. Mater., 71, 90 (2017).

13.Garanin S.G., Osipov V.V., Shitov V.A., Solomonov V.I., Lukyashin K.E., Spirina A.V., Maksimov R.N., Pozdnyakov E.V.

Atmos. Oceanic Opt., 29, 381 (2016).

14.Bonnet L., Boulesteix R., Maître A., Sallé C., Couderc V., Brenier A. Opt. Mater., 50, 2 (2015).

15.Kamimura T., Okamoto T., Aung Y.L., Ikesue A. Proc. 2007 Conf. Lasers Electro-Optics (Baltimore, MD, USA, 2007, pp 1 – 2).

16.Ikesue A., Aung Y.L., Yoda T., Nakayama S., Kamimura T. Opt. Mater., 29, 1289 (2007).

17.Ma C., Tang F., Lin H., Chen W., Zhang G., Cao Y., Wang W., Yuan X., Dai Z. J. Alloys Compd., 640, 317 (2015).

18.Tang F., Cao Y., Huang J., Guo W., Liu H., Huang Q., Wang W.

J. Eur. Ceram. Soc., 32, 3995 (2012).

19.Fujioka K., Sugiyama A., Fujimoto Y., Kawanaka J., Miyanaga N. Opt. Mater., 46, 542 (2015).

20.Yagi H., Takaichi K., Ueda K., Yamasaki Y., Yanagitani T., Kaminskii A.A. Laser Phys., 15, 1338 (2005).

21.Ikesue A., Aung Y.L. Nat. Photonics, 2, 721 (2008).

22.Latham W.P., Lobad A., Newell T.C., Stalnaker D. AIP Conf. Proc., 1278, 758 (2010).

23.Tokurakawa M., Shirakawa A., Ueda K., Yagi H., Noriyuki M., Yanagitani T., Kaminskii A.A. Opt. Express, 17, 3353 (2009).

24.Chen X., Wu Y., Lu Z., Wei N., Qi J., Shi Y., Hua T., Zeng Q., Guo W., Lu T. J. Am. Ceram. Soc., 101, 5098 (2018).

25.Yagi H., Takaichi K., Ueda K., Yanagitani T., Kaminskii A.A. Opt. Mater., 29, 392 (2006).

26.Boulesteix R., Perrière C., Maître A., Chrétien L., Brenier A., Guyot Y. Opt. Mater., 96, 109324 (2019).

27.Balashov V.V., Kopylov Y.L., Kravchenko V.B., Lopukhin K.V., Shemet V.V., Zakharov L.Y. KnE Eng., 3, 106 (2018).

28.Kuwano Y., Suda K., Ishizawa N., Yamada T. J. Cryst. Growth, 260, 159 (2004).

29.Zhou T., Zhang L., Li Z., Wei S., Wu J., Wang L., Yang H., Fu Z., Chen H., Wong C., Zhang Q. J. Alloys Compd., 703, 34 (2017).

30.Eilers H., Hoffman K.R., Dennis W.M., Jacobsen S.M., Yen W.M.

Appl. Phys. Lett., 61, 2958 (1992).

31.Bezotosnyi V.V., Kanaev A.Y., Kopylov Y.L., Koromyslov A.L., Lopukhin K.V., Tupitsyn I.M., Cheshev E.A. Opt. Mater., 100, 109671 (2020).

32.Ni M., Yin D., Wang J., Ma J., et al. Opt. Mater., 122, 111789 (2021).

33.Okhrimchuk A.G., Shestakov A.V. Phys. Rev. B, 61, 988 (2000).

34.Guo X., Tokita S., Kawanaka J. Opt. Express, 27, 45 (2019).