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
силикатное стекло с примесью ионов Nd3+ (1961), кристаллы полупроводникового
соединения GaAs (1962), растворы неодима в неорганич. жидкости SeOCl
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
(CaF
(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 |
||
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 |
SiO |
3 000
|
1,54
|
||
0580
|
SiO |
2 630
|
1,5337
|
||
Боратное
|
BaO-35,
B |
3 870,4
|
1,65
|
||
Лантаноборосиликатное
|
добавка
Nd |
4 340
|
1,691
|
||
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 (N
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 (ЗеОС1
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