193433. lajstromszámú szabadalom • Passzív LiF-kristály O,-kapcsoló nagy ismtétlési frekvenciájú Nd fönt index 3+-lézerekhez, kis széttartású lézernyaláb jó hatásfokú előállítására
193433 1 A találmány tárgya passzív LiF-kristály Q-kapcsoló nagy ismétlési frekvenciájú Nd3+-lézerekhez, kis széttartású lézernyaláb jó hatásfokú előállítására. Ismeretes, hogy a lézerek belső modulációját, azaz Q-kapcsolását speciális elektronikával vezérelve aktív és maga a lézer működése által szabályozott passzív módon lehet megvalósítani. Az aktív Q-kapcsolásra legáltalánosabban az elektro-optikai módszer terjedt el (Pockels-cellával). Az elektro-optikai Q-kapcsolók hatásfoka egyes impulzusok előállításakor igen jó, akár a nem Q-kapcsolt hatásfok 25—50%-a is lehet, és a keletkező impulzusok hossza néhány nanoszekundum csupán. Hátrányuk azonban, hogy általában működtetésükhöz nagyfeszültségű gyors elektronika szükséges, melynek ára a modulátor-kristállyal együtt magas, s ismételt Q-kapcsolás esetén a hatásfok is csökken, a kilépő nyaláb széttartása mind egyes, mind ismételt Q-kapcsolás esetén nagy. A passzív Q-kapcsolóként általánosan használt festékek akár' oldatban, akár plasztikban több nagyságrenddel olcsóbbak az aktív Q-kapcsolóknál, de hatásfokuk, stabilitásuk, élettartamuk jóval kisebb. A felsorolt hátrányokat kiküszöbölő megoldások (pl. festék-keringtetés) viszont épp legnagyobb előnyüket: egyszerűségüket, olcsóságukat rontják le, s még ily módon sem egyértelműen alkalmasak nagy ismétlési frekvenciájú Q-kapcsolásra. A nyalábszéttartás ebben az esetben is nagy. Jelen találmány célja olyan passzív Q-kapcsoló megvalósítása, mely a fenti hátrányokat kiküszöböli és az egyes elektro-optikai Q-kapcsolást megközelítő hatásfokot biztosít íolyadékhűtéses Nd-lézerek nagy ismétlési frekvenciájú Q-kapcsolásakor, miközben a nyalábszéttartást is lényegesen csökkenti. A találmány alapja az a felismerés, hogy az FJ színcentrumokat tartalmazó LiF-kristály úgy abszorbeál bizonyos hullámhosszú fényt, hogy a gerjesztett nívó élettartama hosszú, ami jó hatásfokot, a megfelelő kezdeti abszorpció értékhez szükséges kristályhossz pedig automatikusan kis nyalábszéttartást biztosít, miközben a kristályállapot nagy ismétlési frekvenciát és hosszú idejű működést tesz lehetővé. Folyamatosan, vagy impulzusokban pumpált Nd-al szennyezett YAG vagy GScGG kristály, illetve LiNdLa-foszfátüveg és más hordozó-anyagok esetén a lézer rezonátorban keringő intenzitást meghatározó: kilépő tükör reflexió — kezdeti LiF (F^) abszorpció szorzat megfelelő megválasztásával széles tartományban változtatható a fényimpulzusok hossza, energiája, ismétlési frekvenciája, figyelembe vehető az elemek sérülési küszöbe, optimalizálható a hatásfok és az átlagteljesítmény. A kitűzött feladatot a találmány szerint úgy érjük el, hogy a Q-kapcsoló 1 J/cm2-nél nagyobb optikai sérülési küszöbű, F^ színcentrumokat tartalmazó LiF kristály, melynek maradék abszorpciója kivilágosodott állapot-2 2 ban kisebb 1%-nál és OH-gyököt csak olyan kis koncentrációban tartalmaz, hogy 1,055 ± ±0,015 pm hullámhosszúságú fénnyel gerjesztett állapotának élettartama nagyobb 10 ns-nál, továbbá a Q-kapcsoló kristály kezdeti abszorpciójának és a lézer kilépő tükre reflexiójának szorzata kisebb 0,3-nál. Célszerűen impulzus üzemű megvilágítás esetén a Q-kapcsoló kristály hossza nagyobb a lézer aktív anyag hosszának 6%-nál, de legalább 4 mm. A találmány szerinti passzív Q-kapcsolót a szokásos lézerelrendezésben alkalmazzuk, ahol egy záró- és egy kilépő tükör között, egy közös hossztengely mentén van elhelyezve a LiF (F^ ) kristály Q-kapcsoló és a Nd3^ szenynyeződést tartalmazó aktív anyag. A Q-kapcsoló kristály kezdeti abszorpciója és a lézer kilépő tükrének reflexiója közötti már említett összefüggés az alábbi képlettel adható meg: (1—Tlíf) X Rkí < 0,3 ahol Tuf: a Q-kapcsoló kezdeti transzmissziója, és Rkí: a kilépő tükör reflexiója. A Q-kapcsoló kristály anyagának gyártásakor, illetve kiválasztásakor lényeges szempont, hogy a kristály csak olyan kis koncentrációban tartalmazzon OH-gyököt, hogy az 1,055 ±0,015 pm hullámhosszúságú fénnyel gerjesztett állapotának élettartama nagyobb legyen 10 ns-nál. Ennek érdekében az OH-gyökök koncentrációjának kisebbnek kell lenni 1000 ppm-nél. A Q-kapcsoló kristály optikai sérülési küszöbe Ed > 1 J/cm2 impulzusonként, és maradék abszorpciója kivilágosodott állapotban < 1%. Amikor a Nd3+-t tartalmazó aktív anyag erősítése meghaladja azt a veszteséget, melyet a rezonátortükrök közt oda-vissza futó fény szenved, elkezdődik a lézer-impulzus (fotonlavina) kialakulása, mely egy bizonyos intenzitás felett telítésbe viszi a LiF(FJ) kristály abszorpcióját, s ezzel lényegesen csökkenti a veszteséget, ami még rohamosabb intenzitás növekedéssel jár: így jön létre az óriás lézer-impulzus. A LiF (F^) gerjesztett állapotának a festék Q-kapcsolókét sok nagyságrenddel felülmúló élettartama lehetővé teszi, hogy az abszorpció-telítés fenntartása ne jelentsen nagy veszteséget, míg az általában TEMoo alapmódusban induló lézernyaláb-nyitottá átlátszó csatorna térszűrőként viselkedik, s biztosítja a kis nyalábszéttartást. A megfelelő technológia a színcentrumok stabilitását, a kristályszerkezet az optikai reprodukálhatóságot, a nagy ismétlési frekvenciát teszi lehetővé megfelelő tisztaságú kiinduló anyagok esetén. A találmány olyan, elsősorban gyakorlati célú lézerek megvalósítását teszi lehetővé, 5 10 15 20 2b 30 35 40 45 50 55 60 65
