ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
вещества,
применяемые в лазерах в качестве активных сред. В 1960 был создан первый
лазер, в к-ром роль активной среды выполнял кристалл рубина (А1-Сг3+). Позднее стали использоваться смесь газов Ne и Не (1960),
силикатное стекло с примесью ионов Nd3+ (1961), кристаллы полупроводникового
соединения GaAs (1962), растворы неодима в неорганич. жидкости SeOClи растворы органич. красителей (1966). К 1973 было известно ок. 200 различных
Л. м., охватывающих вещества во всех агрегатных состояниях: твёрдом, жидком,
газообразном и в состоянии плазмы. Л. м. должны удовлетворять ряду требований:
иметь набор энергетич. уровней, позволяющих эффективно воспринимать подводимую
извне энергию и с возможно меньшими потерями преобразовывать её в электромагнитное
излучение; обладать высокой оптич. однородностью, с тем чтобы исключить
потери света из-за рассеяния, а также высокой теплопроводностью и малым
коэфф. термич. расширения; быть стойкими по отношению к различным физико-химич.
воздействиям, перепадам температуры, влажности и т. п.; сохранять состав
и свойства в процессе работы. Твёрдые Л. м. должны обладать, кроме того,
высокой прочностью и выдерживать без разрушения механическую обработку
(резку, шлифовку, полировку), необходимую при изготовлении из них активных
элементов.
Ионные кристаллы с примесями - наиболее
представительная группа Л. м. Кристаллы неорганич. соединений фторидов
(CaFА1YaAlи др.) содержат в своей кри- сталлич. решётке ионы активных примесей: редкоземельных
(Sm2+, Dy2+, Tu2+, Pr3+, Nd3+,
Er3+, Ko3+, Tu3+), переходных (Cr3+,
Ni2+, Co2+, V2+) элементов или ионов U3+.
Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до неск.
% по массе. Возбуждение генерации производится методом оптич. накачки,
причём энергия поглощается, как правило, непосредственно примесными ионами.
Эти Л. м. отличает: высокая концентрация активных частиц (1019-1021
ионов на см3), малая ширина линии генерации (0,001-0,1 мм) и
малая угловая расходимость генерируемого излучения, способность обеспечить
как импульсный, так и непрерывный режимы работы лазера. Недостатки- низкий
(1-5%) кпд преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения
в системе лампа накачки - кристалл, трудность изготовления лазерных стержней
больших размеров и необходимой оптич. однородности. Лазерные кристаллы
с примесями выращиваются преим. путём направленной кристаллизации расплава
в кристаллизационных аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность темп-ры
расплава и скорости роста кристалла. Содержание посторонних примесей в
исходных веществах для выращивания кристаллов не должно превышать 0,01%
по массе, а нек-рых - наиболее опасных - 0,0001%. Из выращенных кристаллов
вырезаются цилиндрич. стержни длиной до 250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы
стержней шлифуются, а затем полируются. Как правило, стержни изготовляются
с плоскими торцами, параллельными друг другу, с точностью 3-5", и строго
перпендикулярными геометрич. оси стержня; в нек-рых случаях применяются
торцы сферич. или др. конфигурации. В табл. 1 приведены химический состав
и физические свойства наиболее важных Л. м. на основе примесных кристаллов.
Табл. 1. - Состав и физические свойства
лазерных материалов на основе кристаллов с примесями
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кристалл
|
Активная
примесь
|
Плотность,
кг/м3
|
Показатель
преломления
|
Температура
плавления, К
|
Твёрдость
(по минералогической шкале)
|
Основные
длины волн генерации, мкм
|
|
|
Вещество
|
Содержание,
% (по массе)
|
|
|
А1
|
Cr3+
|
0,03-0,7
|
3980
|
1,764
|
2303
|
9
|
0,6943
R
|
|
|
Y
|
Nd3+
|
0,5-2,5
|
4560
|
l,8347
|
2203±20
|
8,5
|
1,0641
при 300 К
|
|
|
CaWO
|
Nd3+
|
0,5-3
|
6066
|
1,926
|
1843
|
4,5-5
|
1,058 при
300 К
|
|
|
CaF
|
Dy2+
|
0,02-0,06
|
3180
|
1,4335
|
1639
|
4
|
2,36 при
77 К
|
|
|
LaF
|
Nd3+
|
0,5-2
|
-
|
-
|
1766
|
|
1,0633
при 295 К 1,0631 и 1,0399 при 77 К
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В отличие от кристаллов, лазерные стёкла
имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими
компонентами SiOBeFLiSbчаще всего ионы Nd3+; используются также Gd3+, Ег3+,
Но3+, Yb3+. Концентрация Nd3+ в стёклах
доходит до 6% по массе. Достоинством стёкол как Л. м., кроме высокой концентрации
активных частиц, является возможность изготовления активных элементов больших
размеров (до 1,8 м длиной и до 70 мм диаметром) практически любой формы
с очень высокой оптич. однородностью. Недостатки - большая ширина линии
генерации - 3-10 км и низкая теплопроводность, препятствующая быстрому
отводу тепла при мощной оптич. накачке. В табл. 2 приведены химич. состав
и физич. свойства лазерных стёкол. Стёкла варят в платиновых или керамич.
тиглях. Платина, попадающая в стекло из тигля, снижает мощность лазерного
излучения, т. к. создаёт в рабочем элементе очаги механического разрушения.
Исходные компоненты шихты для варки стёкол не должны содержать посторонних
примесей более 0,01-0,001% по массе. Особо опасными для неодимовых стёкол
являются примеси Fe2+, Sm3+, Pr3+, Dy3+,
Co, Ni, Cu.
Табл.2. - Состав и физические свойства
лазерных стёкол с неодимом (длина волны генерации 1,06 мкм}
|
|
|
|
|
|
|
Наименование
или шифр стекла
|
Состав,
% (по массе)
|
Плотность
, кг/ма
|
Показатель
преломления
|
|
|
Баритовый
крон
|
SiOВаО-25, Sb
|
3 000
|
1,54
|
|
|
0580
|
SiONaSb
|
2 630
|
1,5337
|
|
|
Боратное
|
BaO-35,
B
|
3 870,4
|
1,65
|
|
|
Лантаноборосиликатное
|
добавка
Nd
|
4 340
|
1,691
|
|
|
|
|
|
|
|
Полупроводниковые Л.м.- кристаллы соединений
типа A"BVI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe,. PbTe) и
АIII Bv (GaPAs, GaAs, GaSb, InAs, InSb), а также
кристаллы Те и др. Кристаллы полупроводников выращивают либо из расплава,
либо из газовой фазы. Кристаллы для инжекционных лазеров, возбуждаемых
путём пропускания через рабочий элемент электрич.. тока, имеют т. н. р
- п переход (см. Электронно-дырочный переход). Толщина р - п перехода составляет
0,1 мкм. Излучение возникает в слое р - п перехода, однако излучающий слой
имеет толщину большую, чем р - п переход ( 2 мкм). Рабочие элементы для
инжекционных лазеров, изготовляемые из полупроводниковых кристаллов, имеют
форму прямоугольных пластинок размерами 1 X 1 X 0,2 мм. Наилучшими энергетич.
параметрами обладают р -п переходы в кристаллах GaAs. Достоинства полупроводниковых
Л. м. с р - п переходом: высокий (доходящий до 50% ) кпд, малые размеры
рабочих элементов, большая мощность излучения, получаемая с 1 см2
излучающей поверхности. Недостатки - технслогич. трудности при получении
однородных, высококачеств. р - п переходов, широкая линия излучения (
10 нм при комнатной темп-ре), большая угловая расходимость излучения (1-2°).
В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением или оптич. накачкой
используются кристаллы чистых соединений без введения к.-л. примесей.
Особенностям газовых Л.м являются
точное соответствие схемы энергетич. уровней газа уровням отд. атомов или
молекул, составляющих этот газ, высокая оптич. однородность (световой луч,
проходящий в среде газа, практически не рассеивается), очень малая угловая
расходимость и узкие линии генерации. Недостаток - низкая концентрация
рабочих частиц (всего 10й-1017 в см3).
В газоразрядных лазерах, где возбуждение осуществляется путём создания
электрич. разряда в газе, давление колеблется от сотых долей am, т. е.
103 н/м2, до неск. am, т. е. (1-9)-105
н/м2. Рабочими частицами являются либо атомы газа (Ne, Xe),
либо положительно заряженные ионы (Ne2+, Ne3+, Ar2+,
Kr2+), либо молекулы (NHCN). В нек-рых случаях к осн. рабочему газу для улучшения его работы примешивают
др. газ. Так, в гелиево-неоновом лазере активными излучающими частицами
являются атомы Ne. Примесь Не улучшает условия возбуждения атомов Ne путём
резонансной передачи энергии на их верхние рабочие уровни. В лазерах, возбуждаемых
в результате фотодиссоциации, используется газ СРз! при давлении 6,7 ки/м2
(50 мм рт. ст.). В газовых лазерах с возбуждением внешним источником света
используются пары щелочного металла Cs.
Жидкие Л.м. по оптической однородности
сравнимы с газовыми и имеют высокую плотность активных частиц. Кроме того,
жидкость может циркулировать в резонаторе лазера, что обеспечивает эффективный
отвод выделяющегося тепла. Недостаток - низкая стойкость к действию мощного
излучения оптич. накачки и лазерного излучения. В неор- ганич. жидкостях
активная примесь - ионы Nd3+ - в концентрации неск. % по массе
растворена в оксихлоридах селена (ЗеОС1содержащих хлориды нек-рых металлов. Ширина линии генерации не превышает
десятых долей нм. Жидкие Л. м. на органич. красителях представляют собой
растворы молекул родаминов, пиронина, трипафлавина, 3-аминофталамида и
др. в этиловом спирте, глицерине, воде, растворах серной кислоты. Возбуждение
генерации осуществляется излучением лазеров на кристаллах рубина, неодимо-
вом стекле или светом импульсных газоразрядных ламп. Благодаря широким
спектрам излучения растворов органич. красителей возможна плавная перестройка
длины волны излучения лазера в пределах полосы излучения.
Лит.: Каминский А. А., О с и- к о
В. В., Неорганические лазерные материалы с ионной структурой, "Изв. АН
СССР. Неорганические материалы", 1966, т. 1, № 12, с. 2049-87; там же,
1967, т. 3, № 3, с. 417 - 63; там же, 1970, т. 6, № 4, с. 629 - 696; Карапетян
Г. О., Р е и ш а х- рит А. Л., Люминесцирующие стёкла, как материал для
оптических квантовых генераторов, там же, 1967, т. 3, № 2, с. 217 - 59;
"Тр. Ин-та инженеров по электротехнике и электронике", 1966, т. 54, № 10,
с. 57 - 70; Оптические квантовые генераторы на жидкостях, "Вестник АН СССР",
1969, № 2, с. 52- 57; Степанов Б. И., Рубинов А. Н., Оптические квантовые
генераторы на растворах органических красителей, "Успехи физических наук",
1968, т. 95, в. 1, с. 46. В. В. Осико.
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
