Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
OPTICAL QUANTUM GENERATOR FOR WAVELENGTHS OF 2.3-2.5 MICRONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/222405
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to articles using infrared optics and can be used in lidar equipment, spectroscopy, atmospheric optical communication links and other areas. An optical quantum generator with a two-micron range and a reconfigurable wavelength comprises an active-element resonator manufactured from a multi-layer composite material and an optical pumping source, furthermore the composite material includes at least two layers, one of which is made from ZnS, alloyed with Cr2+ ions, and the other from ZnSe, alloyed with Cr2+ions. Use of the invention will make it possible to increase the stability with which the power level of a laser beam is reproduced, irrespective of the wavelength, during the wavelength reconfiguration process, within a spectral range from 2.3 to 2.5 microns, and reduce the weight, dimensions and time required for assembly and set-up of the laser.

Inventors:
BALABANOV STANISLAV SERGEEVICH (RU)
GAVRISHCHUK EVGENY MIKHAILOVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2016/000375
Publication Date:
December 28, 2017
Filing Date:
June 21, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
LIMITED LIABILITY COMPANY LIDAR TECH ( LIDARTECH LLC) (RU)
International Classes:
H01S3/07
Foreign References:
RU2419182C22011-05-20
US5321711A1994-06-14
Other References:
V.V.STANKEVICH ET AL.: "Nonlinear Bragg structures based on ZnS/ZnSe superlattices", APPL.PHYS, vol. 81, no. 2-3, 2005, pages 257 - 263, XP019337465
CABHH ?.B. H ??: "????????? jia3epa Ha ??????????????????? Cr2+: ZnSe c ??????????????? ???????", ????????? ???????????, vol. 45, no. 1, 2015
Attorney, Agent or Firm:
KOTLOV, Dmitry Vladimirovich et al. (RU)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Оптический квантовый генератор с перестраиваемой длиной волны в диапазоне от 2.3 до 2.5 мкм, содержащий резонатор с активным элементом, выполненным из слоистого композиционного материала, и источник оптической накачки, при этом композиционный материал включает, по меньшей мере, слой, выполненный из ZnS, легированного ионами Сг*+ и слой, выполненный из ZnSe, легированного ионами Сг*+.

2. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что активный элемент, выполненный из композиционного материала, также включает, по меньшей мере, один нелегированный слой, выполненный из ZnS и/или ZnSe, расположенный на стороне элемента, через которую осуществляется ввод или вывод оптического излучения.

3. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что активный элемент, выполненный из композиционного материала, также включает, по меньшей мере, два нелегированных слоя, выполненных из ZnS и/или ZnSe, расположенных на сторонах элемента, через которые осуществляется ввод и вывод оптического излучения.

4. Генератор по п.1 , характеризующийся тем, что слои, выполненные из ZnS и ZnSe, легированные ионами Сг2*, выполнены чередующимися с нелегированными слоями, выполненными из ZnS и/или ZnSe.

5. Генератор по п.1 , характеризующийся тем, что эффективная концентрация хрома в легированных слоях композиционного материала находится в диапазоне 1 -1018 - 5-1019 см-3.

Description:
ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ДЛИНАХ ВОЛН 2.3-2.5 мкм

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к изделиям ИК - оптики и может быть использовано в качестве источника когерентного излучения, в том числе с перестраиваемой длиной волны, используемого в лидарной технике, спектроскопии, атмосферных оптических линиях связи и других областях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Создание компактных, мощных, перестраиваемых по частоте лазеров, работающих при комнатной температуре в среднем ИК диапазоне (диапазон длин волн 2 - 5 мкм), является актуальной задачей. Большой интерес к данному диапазону обусловлен наличием окон пропускания атмосферы в данном диапазоне и обширным кругом научных и прикладных задач, в которых могут быть использованы такие источники когерентного излучения.

В этой связи можно выделить кристаллы халькогенидов (ZnS, ZnSe, CdSe и др.) Эти кристаллы группы А2В6, легированные двухвалентными ионами переходных металлов (Cr*\ Fe 2+ ), представляют большой интерес, обусловленный целым рядом их достоинств, таких как возможность плавной перестройки частоты генерации лазера в широком спектральном диапазоне; возможность генерации в импульсном и непрерывном режимах, низкий порог и высокий КПД генерации. Широкие полосы поглощения этих соединений упрощают выбор источников накачки лазеров. В частности, в лазерах на кристаллах Cr^ZnSe и Cr^!ZnS продемонстрирована возможность получения эффективной генерации с высокой средней мощностью (до 30 Вт) и осуществлена перестройка длины волны в диапазоне 1.9-3.1 мкм.

Из уровня техники известны лазеры для генерации в диапазоне длин волн 2.3-2.5 мкм, основанные на активных элементах, выполненных из легированных ионами хрома сульфида цинка (Cr^ ZnS) или селенида цинка (Cr^ZnSe).

Так, лазер, раскрытый в US 5541948 А, опубл. 30.07.1996, содержит активный элемент, выполненный из материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe и легированного Cr 2* , обладающий высокой интенсивностью люминесценции.

Также известен лазер среднего ИК - диапазона на микрочипе: лазер на ZnS^r 2* с насыщающимся поглотителем (US6960486 В2, опубл. 01.11.2005), используемый в гибких лазерных модулях, и способ его изготовления.

Способы изготовления легированных халькогенидов цинка известны из ряда источников: WO 2016024877 А1 , опубл. 18.02.2016; CN103590110 А, опубл. 19.02.2014; CN103275723 В, опубл. 16.09.2015, RU2549419, опубл. 27.04.2015. Однако, в указанных лазерах, основанных на халькогенидах цинка, в процессе перестройки длины волны излучения или при генерации в многомодовом режиме в диапазоне от 2.3 до 2.5 мкм изменяется мощность излучения, в том числе, вследствие неоднородности значения сечения усиления активных сред от длины волны в указанном диапазоне. Изменение средней мощности лазерного излучения при перестройке длины волны в указанном диапазоне составляет более 25%, что нежелательно для ряда областей применения.

Наиболее близким аналогом является лазер, построенный по схеме задающий генератор-усилитель мощности (МОРА), где в задающем генераторе используется активный элемент, выполненный из Cr^iZnS, а в усилителе - активный элемент, выполненный из Cr 2+ :ZnSe (Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr and Fe-Doped ll-VI Chalcogenides / S. B. Mirov et al. // IEEE J. Of Selected Topics In Quant. Electr., V.21 , N.1 , 2015). Данная схема используется для расширения диапазона генерации, но может быть применена также для повышения стабильности мощности генерации в диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм.

Недостатком этой схемы является необходимость создания как минимум двух резонаторов, что увеличивает массу лазера, его габариты, время сборки и настройки, стоимость. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является создание перестраиваемого компактного оптического квантового генератора с высокой воспроизводимостью и имеющего стабильную мощность излучения в диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм.

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности воспроизведения уровня мощности лазерного излучения независимо от длины волны в процессе перестройки длины волны в спектральном диапазоне от 2.3 до 2.5 мкм, снижение массы, габаритов, времени сборки и настройки лазера.

Технический результат достигается за счёт того, что оптический квантовый генератор с перестраиваемой длиной волны в диапазоне от 2.3 до 2.5 мкм содержит резонатор с активным элементом, выполненным из слоистого композиционного материала, и источник оптической накачки, при этом композиционный материал включает, по меньшей мере, слой, выполненный из ZnS, легированного ионами Сг 2* и слой, выполненный из ZnSe, легированного ионами Сг 2* .

В некоторых вариантах реализации композиционный материал включает также, по меньшей мере, один нелегированный слой, выполненный из ZnS и/или ZnSe, расположенный на стороне активного элемента, через которую осуществляется ввод или вывод оптического излучения.

В некоторых вариантах реализации композиционный материал включает также, по меньшей мере, два нелегированных слоя, выполненных из ZnS и/или ZnSe, расположенные на сторонах активного элемента, через которые осуществляется ввод и вывод оптического излучения.

В некоторых вариантах реализации композиционный материал включает чередующиеся слои нелегированных слоев, выполненных из ZnS или ZnSe со слоями, выполненными из ZnS и/или ZnSe, легированных ионами Сг* + .

В некоторых вариантах реализации эффективная концентрация хрома в легированных слоях в композиционном материале находится в диапазоне 1 - 10 18 - 5- 10 19 см '3 .

Использование активного элемента, выполненного из композиционного материала, имеющего в составе, как минимум, слой сульфида цинка, легированного ионами хрома, и слой селенида цинка, легированного ионами хрома, позволяет повысить однородность значения коэффициента усиления излучения в диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм, который является суперпозицией коэффициентов усиления излучения ионов хрома, находящихся в матрице сульфида цинка и селенида цинка. Максимумы сечения усиления ионов хрома Сг 2 * в индивидуальных матрицах находятся на длинах волн 2.35 мкм и 2.45 мкм для Cr^ZnS и Cr^ZnSe соответственно.

В зависимости от длины волны излучения оптической накачки, а также используемой лазерной схемы, подбирается соотношение содержания ионов хрома в матрице сульфида цинка и селенида цинка, чтобы минимизировать отклонение мощности генерации от ее среднего значения в диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 - Схема оптического квантового генератора с активным элементом из Cr^iZnS / Cr^iZnSe и призменным селектором длины волны.

Фиг. 2 - Спектр пропускания активного элемента, выполненного из композиционного материала Cr^iZnS / Cr^iZnSe.

Фиг. 3 - Перестроечные кривые оптических квантовых генераторов с активным элементом, выполненным из композиционного материала Cr^ZnS / Cr^ZnSe и с активным элементом, выполненным из Cr^iZnSe при мощности накачки 1 ,5 Вт. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оптический квантовый генератор с перестраиваемой длиной волны в диапазоне от 2.3 до 2.5 мкм содержит резонатор из, по крайней мере, двух зеркал, в котором расположен активный элемент, и источник оптической накачки. Активный элемент выполнен из многослойного композиционного материала, имеющего в составе, как минимум, слой сульфида цинка, легированный ионами хрома, и слой селенида цинка, легированный ионами хрома, обеспечивающий высокую однородность спектральной плотности потока выходного излучения в диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм.

Широкая линия поглощения ионов хрома в ZnS и ZnSe (~1.5 - 2.1 мкм) и высокое значение сечения усиления (порядка 10 "18 см 2 ) обусловливают широкий выбор возможных источников накачки, среди которых параметрические генераторы света, твердотельные лазеры на Tm:YLF (1908 нм), Tm:YAG (2013 нм), Tm:YAP (1940 нм), MgF 2 :Co 2+ (1860-1894 нм), ErGlass; лазерные диоды; волоконный лазер на ионах Тт или Ег; рамановские лазеры и др.

Как правило, применение импульсных источников накачки обеспечивает наиболее высокий КПД. При этом эффективность трансформации излучения лазерной накачки в генерацию ионов хрома может превышать 70%. Однако, для некоторых задач также используют моноимпульсный, квазинепрерывный или непрерывный источники оптической накачки.

Для получения используемого в настоящем изобретении поликристаллического многослойного композиционного материала с, по меньшей мере, двумя слоями халькогенидов цинка, легированных ионами хрома, может быть использован метод химического осаждения из газовой фазы (CVD-метод), позволяющий выращивать экстремально чистые материалы с высокой однородностью легирования.

Так, например, может быть использован способ изготовления легированных халькогенидов цинка, раскрытый в WO 2016024877 А1.

Синтезированные образцы композита имеют полосу поглощения с широким максимумом в области 1.72 мкм. Лазерное излучение возможно получить при эффективной концентрации ионов хрома Сг 2* в диапазоне 1 -10 18 - 5Ю 19 см "3 . Это обусловлено тем, что при малой концентрации ионов хрома энергии, запасенной на верхнем лазерном уровне, недостаточно для преодоления пороговых эффектов генерации, а при большой концентрации хрома начинают проявляться эффекты концентрационного тушения.

При этом варианты выполнения композиционного материала могут быть, например, следующие. В случае если он выполнен 3-х слойным (например, последовательно расположенные слои ZnS / Cr^iZnS / Cr^iZnSe), нелегированный слой ZnS или ZnSe находится на поверхности активного элемента (композиционного материала), в частности, через которую будет вводиться оптическая накачка. Такое выполнение активной среды увеличит стойкость активного элемента к лазерному пробою поверхности.

В случае если он выполнен 4-х слойным (например, ZnS / Cr^ZnS / Cr^ZnSe / ZnSe) нелегированные слои ZnS и/или ZnSe находятся на поверхностях активного элемента (композиционного материала), через которые осуществляется ввод и вывод оптического излучения. Как и в предыдущем варианте стойкость к лазерному пробою повышается, однако уже с обеих сторон активного элемента. Это, в частности, позволит увеличить плотности мощности накачки и излучения.

В вариантах выполнения активного элемента в виде 5-и (например, ZnS / Cr:ZnS / ZnS /Cr:ZnSe / ZnSe) и более слоев чередование нелегированных слоев, выполненных из ZnS и/или ZnSe со слоями, выполненными из ZnS и ZnSe, легированными Сг 2 ", позволит управлять тепловыделением в элементе, уменьшая эффекты термооптического искажения, увеличить площадь охлаждения элемента и увеличить максимальную мощность лазера.

Чередование слоев в композиционном материале может быть выполнено в направлении, параллельном оптической оси резонатора.

Для управления спектром генерации, в частности, для управления длиной волны излучения генерации, чаще всего используется в конструкции оптического квантового генератора, например, внутрирезонаторная призма, или дифракционная решётка, или интерференционно-поляризационн й фильтр, или акустооптический фильтр.

Для управления спектральными характеристиками излучения лазера, в частности, для стабилизации мощности излучения генерации и уменьшения отклонения мощности генерации от ее среднего значения, могут быть использованы различные схемы оптического квантового генератора, различные длины волны оптической накачки и/или концентрации хрома в слоях сульфида цинка и селенида цинка и/или толщины этих слоев.

При этом при прочих равных условиях изменение средней мощности генерации лазерного излучения при перестройке длины волны в указанном диапазоне длин волн от 2.3 до 2.5 мкм при использовании активного элемента, изготовленного из композиционного материала, будет значительно меньше, чем при использовании активных элементов, изготовленных из индивидуальных халькогенидов цинка. Однако для обеспечения высокой стабильности мощности для каждого источника оптической накачки подбирают своё соотношение слоев, концентраций, размеров активного элемента. Помимо этого, на характеристики излучения влияют другие параметры - используемые зеркала, конструкция резонатора, схема охлаждения и прочее.

Например, ионы хрома в матрице ZnS будут поглощать излучение оптической накачки на длине волны 1.54 мкм эффективнее, чем ионы хрома в матрице ZnSe. Поэтому количество ионов хрома, находящихся в матрице ZnSe предпочтительно сделать больше, чем количество ионов хрома в матрице ZnS. Если не выполнить указанное условие, то отклонение средней мощности излучения будет значительным, и близким к отклонению средней мощности излучения в лазере с использованием в качестве активной среды Cr^iZnS. При длине волны оптической накачки, например, 2 мкм возникает противоположная ситуация.

Пример конкретной реализации изобретения выглядит следующим образом.

Оптический квантовый генератор на длинах волн 2.3-2.5 мкм (фиг. 1) содержит активный элемент (2), который расположен в резонаторе, выполнен из композиционного материала и представляет собой цилиндр с отшлифованной боковой поверхностью и полированными торцами по III классу чистоты согласно ГОСТ 1 1141-84 с диаметром 12.5 мм и толщиной 3 мм. Толщина слоя Cr^ZnS составляет 2 мм; толщина слоя Cr 2+ :ZnSe составляет 1 мм. Эффективная концентрация ионов хрома в обоих слоях одинаковая N~2- 10 19 CM '3 .

Спектр пропускания композитного материала, зарегистрированный на ИК Фурье - спектрометре, представлен на фиг. 2.

Образец композиционного материала для получения генерации синтезирован CVD методом с последующим диффузионным отжигом. В качестве источника хрома использован металлический хром, нанесённый вакуумным напылением на торцевую поверхность цилиндра, изготовленного из CVD - ZnSe. Слой ZnS наносился на покрытую металлическим хромом поверхность CVD методом. Полученный композиционный материал подвергался высокотемпературному отжигу при повышенном давлении.

Резонатор оптического квантового генератора на длинах волн 2.3-2.5 мкм сформирован тремя зеркалами: дихроичным зеркалом (1), которое имеет коэффициент отражения на длинах волн 2.3-2.5 мкм не менее 90%, а на длине волны 1.94 мкм пропускание более 97%; плоским зеркалом (4), которое имеет коэффициент отражения на длинах волн 1.9-2.5 мкм не менее 99.4%; и выходным зеркалом (5), которое имеет коэффициент отражения на длинах волн 2.3-2.5 мкм около 80%. Резонатор оптического квантового генератора помещён в корпус, продуваемый осушенным азотом.

Активный элемент (2), выполненный из композиционного материала Cr^ZnS / Cr^iZnSe, расположен под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Оптическая накачка активного элемента (2) осуществляется на длине волны

1.94 мкм лазером, работающим в импульсно-периодическом режиме. Длительность импульсов генерации лазера накачки составляет А? ршпр «50 не при частоте следования frep , = 3 кГц и импульсной энергии 0.5 мДж.

Перестройка длины волны выходного излучения оптического квантового генератора осуществляется изменением угла поворота зеркала (4). Между активным элементом (2) Cr^ZnSe / Cr^iZnS и "глухим" зеркалом (4) в лазерный резонатор была установлена в вертикальной плоскости спектральная призма, изготовленная из фторида кальция (3), которая позволяет осуществлять перестройку выходного излучения в спектральной области λ=2.3 -2.5 мкм.

Излучение оптической накачки проходит через дихроичное зеркало (1) и поглощается в активном элементе (2), создавая инверсную населённость возбуждённых ионов хрома. Индуцированное излучение, сформированное в активном элементе, проходя через призму, разлагается в спектр, и попадает на зеркало (4). Частота сформированного в резонаторе лазерного излучения определяется резонатором, состоящим из зеркал (1 ), (4), (5) и призмы (3) и может изменяться в зависимости от взаимного расположения призмы и глухого зеркала (4). В активный элемент (2) возвращается только излучение, падающее на зеркало (4) под углом 90°. Это излучение усиливается в резонаторе и выводится через частично прозрачное зеркало (5). При этом условия генерации для других длин волн не выполняются. Изменение положения зеркала (4) по отношению к призме (3) приводят к изменению характеристики резонатора и формированию излучения с другой длиной волны.

Средняя мощность накачки составляет 1.5 Вт, при этом выходная средняя мощность составляет 0.7 Вт. Эффективность генерации по поглощённому излучению составляет ~47%. Измерение мощности проводится градуированным калориметрическим приемником Gentec, чувствительным в спектральной области 0.5-10 мкм.

Зарегистрированная перестроечная кривая оптического квантового генератора с активным элементом, выполненным из композиционного материала Cr^ZnS / Cr^ZnSe, на длинах волн 2.3 - 2.5 мкм, представлена на фиг. 3. В этом случае при перестройке в указанном диапазоне колебания мощности лазерного излучения не превышают 1.7%. Для сравнения на фиг.З представлена перестроечная кривая оптического квантового генератора с активным элементом, выполненным из Cr^iZnSe, в том же резонаторе и при одинаковых условиях эксперимента. Из фиг. 3 видно, что при использовании в качестве активной среды Cr^iZnSe отклонение мощности лазерного излучения в зависимости от длины волны составляет более 50%.

Таким образом, разработанный оптический квантовый генератор позволяет в процессе перестройки длины волны в спектральном диапазоне 2.3-2.5 мкм обеспечить высокую стабильность уровня мощности лазерного излучения за счёт применения активного элемента, выполненного из композиционного материала, имеющего в составе, как минимум, слой сульфида цинка, легированного ионами хрома, и слой селенида цинка, легированного ионами хрома.

Упомянутые результаты важны не только с точки зрения стоимости устройства, но и надёжности, и массогабаритных характеристик. Например, применение оптического квантового генератора для проведения дистанционной спектроскопии или обеспечения линии атмосферной оптической связи с борта летательного аппарата сопровождается значительными вибрационными воздействиями на указанное устройство. Применение сложных оптических схем оптического квантового генератора неизбежно снижает его устойчивость к разъюстировкам, а улучшение массогабаритных характеристик является одним из основных требований к оборудованию для использования на летательных аппаратах.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.




 
Previous Patent: END SEAL

Next Patent: FIBER SURFACE FINISHING