Радиационная стойкость лазерных кристаллов: вчера, сегодня, завтра Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ALT'22

LS-I-13

LASER SYSTEMS AND MATERIALS

Радиационная стойкость лазерных кристаллов: вчера, сегодня, завтра

М.Х. Ашуров1, И.А. Щербаков2, Б.Л. Оксенгендлер3

Институт ядерной физики АНРУз, пос. Улугбек, 100214, Ташкент, Узбекистан ФИЦ «ИОФ РАН им. А.М. Прохорова», ул. Вавилова 38, 119991, Москва, Россия ИИПиЛТ им. У.А. Арифова, ул. Дурмон йули 33, 100125, Ташкент, Узбекистан

К настоящему времени сложились устойчивые представления, что лазер является одним из наиболее интересных устройств, органически сочетающих такие глубокие представления как корпускулярно-волновой дуализм, кооперативные квантовые явления и т.д. Этим обусловлено его широчайшее применение фундаментальной и прикладной науках. В самом общем плане можно считать, что базовыми компонентами лазеров всех типов являются активная среда и резонаторы. История лазерной науки и техники вполне естественно развивается на последовательной стадии: создание фундаментальных представлений о квантовых особенностях света; реализация этих идей путем вариации активных сред и типов резонаторов; максимально возможное расширение диапазонов электромагнитных излучений, выдаваемых лазерными устройствами (непрерывного и импульсного типов). Вместе с тем, вовсе времена стояла крайне важная проблема радиационной стойкости лазерных материалов и устройств с их использованием. Чрезвычайно широко и остро этот вопрос проявился в твердотельных лазерах различных типов.

Этот вопрос стал еще более актуальным в связи с широким применением твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе полупроводниковых приборов.

Если взглянуть в историю, КПД лазеров при ламповых накачках находились на уровне 1-2%, что было связано с плохим согласованием узких полос поглощения, например, ионов Nd3+ с широкими спектрами излучения импульсных ламп накачки. В начале 80-х годов прошлого столетия, в ИОФ РАНе, был найден способ повышения КПД импульсных неодимовых лазеров путем сенсибилизации люминесценции рабочих частиц ионами Сг3+, которые обладали интенсивным широкополосным спектром поглощения, хорошо согласующимися со спектрами излучения импульсных ламп накачки, а также быстро и эффективно передавать поглощенную энергию на верхний лазерный уровень рабочих частиц, которые в свою очередь, должны излучать в заданном спектральном интервале с высоким квантовым выходом [1].

Помимо этого, было показано, что ионы Сг3+ препятствуют и образованию центров окраски в результате у - облучения при комнатной и более высоких температурах в области длин волн более 300 нм во всех исследуемых кристаллов со структурой граната, т.е., выявленное нами свойство ионов Сг3+ повышать радиационную стойкость лазерных кристаллов являлось общим [2].

Таким образом, было показано, что ионы Сг3+ в данных кристаллах совмещают две важные функции: выступают в качестве эффективных доноров энергии и реализуют высокую радиационную стойкость активных элементов.

На основе этих выводов в конце ХХ-века были получены рекордные для твердотельных лазеров КПД и были созданы новые приборы и устройства, в том числе, радиационно-стойкие на их основах.

Исследование радиационной стойкости кристаллов №3+- GdVO4, одного из наиболее эффективных лазерных кристаллов с диодной накачкой показали, что при у -облучении кристалл 0,5% Nd-GdVO4 дополнительное ра-диационно-индуцированное поглощение при длинах волн 808 нм и 1063 нм составляет примерно 0,05 см-1, т.е. выдержанный после облучения этот кристалл визуально не окрашен и, при этом, лазер демонстрирует эффективную генерацию на длине волны 1,063 мкм с дифференциальным КПД до 30% с мощностью до 800 мВт при накачке 4 Вт. [3].

Так, путем исследования спектров пропускания лазерного кристалла Nd-GdVO4 и неактивированного кристалла GdVO4 до и после у-облучения источником 60Со с поглощенными дозами до 10 МР установили, что для кристалла GdVO4 его спектр пропускания в ИК области после облучения в течение нескольких минут релакси-рует к спектру поглощения необлученного кристалла. В случае активированного кристалла его спектр пропускания в ИК области после облучения сохраняет остаточное индуцированное поглощение на уровне 0,05 см-1, что не значительно сказывается на генерационных свойствах данного кристалла.

Тем самым, эти лазерные эксперименты показывают высокую лазерную эффективность кристалла Nd-GdVO4 несмотря на наличие относительно слабого окрашивания кристалла при интенсивном радиационном облучении. Это означает, данный кристалл можно считать радиационно-стойким при уровнях поглощенной дозы до 10 МР, при последующей выдержке более 1 суток.

LS-1-13 , ALT'22

LASER SYSTEMS AND MATERIALS

Аналогичные результаты были получены и для лазеров на основе ванадата Nd-YVO4 и кристалла Yb-LuYSiO5 с диодной накачкой [4-5].

Если подытожить исследования проблем радиационной стойкости лазеров за начальный период времени, то можно сказать, что понимание процессов радиационной стойкости происходило в рамках понятии физи-ко-химии материалов (валентность, ионные радиусы, простейший электронный спектр и т.д.). Такой подход в принципе был популярен в качестве объектов исследования в начальный и средний периоды развития идей радиационной физики твердого тела.

Вместе с тем, радиационная физика конденсированного состояния XXI века, следуя общим тенденциям эволюции представлений о науке конденсированных сред вообще, все более стала углубляться в идеи комбинированной нелинейности объектов облучения и использования режима сильной неравновесности, созданной радиационным воздействием.

По началу эта идеология ограничивалась рамками радиационной синергетики [6], однако примерно последние 10 лет произошло углубление идеи радиационной физики конденсированных сред, что получило название «COMPLEXITY» («СЛОЖНОСТЬ») [7].

Теперь исследователей интересовали больше структурные свойства материалов («нано», «фрактальность», «малая размерность», «хиральная симметрия», «иерархичность») попадавших в условия сильно неравновесных облучении. Это немедленно привело к совершенно новым результатам (в частности, даже элементарные атомные перестройки оказывались комбинированными и уже нелинейными; другая частность - существования иерархичности сложных сред давала возможность единовременно реализоваться радиационным эффектам на разных уровнях иерархии материала, а критерием устойчивости материала к облучению стало передача правильно сжатой информации с нижнего иерархического уровня на верхний).

Таким образом, радиационная физика конденсированного состояния резко усложнилась, но это позволило находить новые пути в различных аспектах воздействия радиации на вещество и в том числе, в проблемах радиационной стойкости весьма сложных твердотельных электронных приборов.

Все это позволяет сделать вывод-предположение, что «ЗАВТРА» и для вопросов радиационной стойкости твердотельных лазеров надо будет подходить уже с идеологией «COMPLEXITY» [7].

[1]. E.B. Жариков, В.В.Осико, А.М.Прохоров, И.А.Щербаков «Кристаллы редкоземельных галлиевых гранатов с хромом как активные среды твердотельных лазеров», Изв. АН СССР Сер.физ. 1984. Т.438, №7. С.1330-1342.

[2]. М.Х.Ашуров, Е.В.Жариков, В.В.Лаптев и др., «Влияние ионов хрома на образование центров окраски в криаталлах со структурой граната», Доклады АН СССР, 1985, Т. 282, №5, С.1104-1106.

[3]. M.Kh.Ashurov, Yu. D. Zavartsev, A. I. Zagumennyi, Sh. Kh. Ismoilov, Yu. L. Kalachev, S. A. Kutovoi, V. A. Mikhailov, I. Nuritdinov, and I. A. Shcherbakov « Radiation Hardness of Nd:GdVO4 Laser Crystal under y-Ray Irradiation» Physics of Wave Phenomena, 2019, V. 27, No. 4, pp. 271-274.

[4]. S.V. Kaczmarek et.al. «Radiation and structural defects in YVO4 Laser crystals» / Biuletyn WAT Rok XLV, 2000, N 3, P.115-126. 4

[5].VI.Vlasov et.al, «Radiation Resistance of Yb:LaSc3(BO3)4 and Yb:LuYSiO5 Laser Crystals», Wave Phenomena, 2018. Vol.26, N4. P.1-5.

[6]. B.L. Oksengendler, et al., «The features of Auger destruction in quasi-one-dimensional objects of inorganic and organic natures/Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B. 2022. V.512, P.66-75. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2021.12.009.

[7]. Б.Л.Оксенгендлер и др. «Концепция «СЛОЖНОСТИ» в радиационной физике», Журнал «Поверхность», 2022, № 6, с. 1-11, DOI: 10.31857/S1028096022060139