На правах рукописи
Глущенко Илья Николаевич
НЕОДИМОВЫЕ И ИТТЕРБИЕВЫЕ
ТЕРМОПРОЧНЫЕ И ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ
СТЕКЛА НА ФОСФАТНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ДИОДНОНАКАЧИВАЕМЫХ ЛАЗЕРОВ
05.27.06 - технология и оборудование для производства
полупроводников, материалов и приборов электронной техники
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва-2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН).
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Денкер Борис Ильич, ИОФ РАН.
Официальные оппоненты: Малашкевич Георгий Ефимович доктор физико-математических наук, Институт физики им. Б.Н.Степанова Национальной академии наук Беларуси, заведующий лабораторией;
Шестаков Александр Валентинович кандидат физико-математических наук, ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», заведующий отделением.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН), г. Москва.
Защита состоится «23» декабря 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 при ИОФ РАН по адресу Москва, ул. Вавилова, д. 38, корп. 1, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.
Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.
Ученый секретарь Макаров Вячеслав Петрович диссертационного совета тел. +7 499
I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы С момента реализации эффекта стимулированного излучения на кристаллах рубина (1960 г.) твердотельные лазеры играют заметную роль в решении многих задач квантовой электроники и находят все более широкое применение в науке и технике. Твердотельные лазерные среды характеризуются высоким значением плотности запасаемой энергии, длительным временем ее хранения и высокими значениями сечения индуцированного перехода, а диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Перечисленные качества позволяют создавать на основе твердотельных материалов излучающие устройства, работающие с высокой эффективностью и с высокими выходными мощностями лазерного излучения. При этом следует заметить, что наиболее востребованными на протяжении долгого времени продолжают оставаться активные материалы для лазеров, работающих в области ~ 1 мкм.
Общее количество твердотельных лазерных сред, на которых получен эффект генерации, исчисляется сотнями, однако в повседневную практику вошли лишь немногие из них. Наиболее широкое распространение в качестве лазерных материалов получили диэлектрические кристаллы и стекла, активированные редкоземельными ионами (р.з.и.). Среди кристаллов можно выделить, например такие, как YAG, YVO4, YLF, а среди стекол широкое распространение получили стекла на силикатной и фосфатной основах.
Активные кристаллические среды обладают высокими спектральнолюминесцентными характеристиками, а также высокой прочностью и теплопроводностью, что позволяет им работать эффективно и с высокой выходной мощностью как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах генерации. Стеклянные среды имеют ряд своих преимуществ по сравнению с кристаллическими материалами. Это, во-первых, сравнительно простая технология синтеза стекол с высоким оптическим качеством с последующей возможностью изготовления из них активных элементов разной геометрической формы и размеров. Во-вторых, возможность варьирования свойств активного материала путем изменения его состава, в том числе возможность изменения в довольно широких пределах концентрации примесных активных ионов. Кроме того, большинство кристаллов имеют узкие полосы люминесценции, что усложняет задачу получения на них ультракоротких импульсов. Лазерные стекла обладают более широкими полосами люминесценции, чем кристаллы, что упрощает задачу получения на них импульсов предельно короткой длительности, а также дает возможность перестройки длины волны генерации в пределах соответствующей полосы люминесценции. К основным недостаткам лазерных стекол относятся меньшие, чем у кристаллов, коэффициенты усиления, низкая теплопроводность, относительно невысокие прочностные характеристики, низкая химическая стойкость в случае фосфатных стекол.
Мощный толчок к развитию и совершенствованию лазерных стекол как в нашей стране, так и за рубежом в 70-80х годах прошлого столетия был дан развертыванием программы создания лазеров для управляемого термоядерного синтеза. Для реализации этой программы требовалось создание мощных лазеров, для которых необходимо было разработать активные элементы с большими размерами. Основная ставка здесь делалась на фосфатные неодимовые стекла. При этом важнейшей задачей являлась разработка таких составов стекол и технологий их варки, которые обеспечивали бы получение лазерного стекла в больших объемах и с высоким оптическим качеством. Разработанные в те годы стекла и сегодня продолжают занимать основное место среди коммерчески доступных лазерных стекол.
Научные достижения последних 10-15 лет, и в первую очередь такие, как появление новых средств управления генерацией и доступных селективных источников накачки, а именно полупроводниковых лазеров, поставили перед разработчиками твердотельных лазерных систем и материалов новые научные и технические задачи. Так, миниатюризация лазерных систем, повышение их КПД и задача создания лазеров, генерирующих импульсы предельно короткой длительности, обусловили необходимость разработки новых активных материалов для таких лазеров. Анализ многочисленных публикаций свидетельствует о том, что основные усилия специалистов, направленные на решение упомянутых задач, были сосредоточены на поиске новых кристаллических и керамических активных сред и совершенствовании технологии их получения. Публикации же, посвященные новым лазерным стеклам, более полно удовлетворяющим современным требованиям, исчисляются единицами и в своем большинстве связаны с исследованием эрбиевых стекол для полуторамикронных лазеров. Тем не менее, в этих работах было показано, что активированные р.з.и. стеклянные среды продолжают оставаться перспективным активным материалом для твердотельных лазеров и в эпоху полупроводниковой накачки. По нашему мнению, прогрессу стекол в качестве активных лазерных материалов может способствовать разработка новых составов стекол, учитывающих специфику диодной накачки и обладающих улучшенными термопрочностными и химическими характеристиками.
Цель работы: поиск состава, отработка методики синтеза и исследование физико-химических, спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик новых неодимового и иттербиевого стекол на фосфатной основе, обладающих как можно более высокими термомеханической прочностью и химической устойчивостью, перспективных для применения в качестве активных сред в компактных диодно-накачиваемых лазерах, излучающих в области 1 мкм.
Для достижения поставленной цели в ходе работы требовалось решить следующие задачи:
1. Разработать составы неодимового и иттербиевого стекол на фосфатной основе, обладающие повышенными термомеханической прочностью и химической стойкостью при сохранении высоких спектральнолюминесцентных свойств, присущих классу фосфатных стекол.
2. Исследовать их физико-химические и спектрально-люминесцентные свойства.
3. Отработать методику синтеза новых стекол, позволяющую получать их с высоким оптическим качеством.
4. Провести генерационные испытания разработанных лазерных стекол.
Основные защищаемые положения 1. Разработанные неодимовые и иттербиевые лазерные стекла отличаются от известных фосфатных лазерных стекол в 2-3 раза бльшей термической прочностью и рекордной химической стойкостью, сохраняя при этом высокие спектрально-люминесцентные свойства, присущие классу фосфатных стекол.
2. Разработана методика синтеза новых стекол. Предложенный технологический процесс позволяет получать высокооднородные отливки стекла объемом до 0,5 л, свободные от центров рассеяния и свилей. Содержание остаточных гидроксильных групп в отливках находится в пределах принятой для неодимовых лазерных стекол нормы