Лазерные материалы

Лазерные материалы, вещества, применяемые в лазерах в качестве активных сред. В 1960 был создан первый лазер, в котором роль активной среды выполнял кристалл рубина (Al₂O₃ — 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 неорганической жидкости SeOCl₂ и растворы органических красителей (1966). К 1973 было известно около 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 энергетических уровней, позволяющих эффективно воспринимать подводимую извне энергию и с возможно меньшими потерями преобразовывать её в электромагнитное излучение; обладать высокой оптической однородностью, с тем чтобы исключить потери света из-за рассеяния, а также высокой теплопроводностью и малым коэффициентом термического расширения; быть стойкими по отношению к различным физико-химическим 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 неорганических соединений фторидов (CaF₂, LaF₃, LiYF₄ и др.), окислов (например, Al₂O₃) или сложных соединений (CaWO₄, Y₃Al₅O₁₂, Са₅(РО₄)₃Р и др.) содержат в своей кристаллич. решётке ионы активных примесей: редкоземельных (Sm²⁺, Dy²⁺, Tu²⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Er³⁺, Ho³⁺, Tu³⁺), переходных (Cr³⁺, Ni²⁺, Co³⁺, V²⁺) элементов или ионов U³⁺. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких % по массе. Возбуждение генерации производится методом оптической 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 нм) и малая угловая расходимость генерируемого излучения, способность обеспечить как импульсный, так и непрерывный режимы работы лазера. Недостатки — низкий (1—5%) кпд(коэффициент полезного действия) преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе лампа накачки — кристалл, трудность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой оптической однородности. Лазерные кристаллы с примесями выращиваются преимущественно путём направленной кристаллизации расплава в кристаллизационных аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Содержание посторонних примесей в исходных веществах для выращивания кристаллов не должно превышать 0,01% по массе, а некоторых — наиболее опасных — 0,0001%. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические 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 геометрической оси стержня; в некоторых случаях применяются торцы сферической 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

  В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO₂, В₂О₃, P₂O₃, BeF₂ и др., В них содержатся Na₂O, K₂O, Li₂O, MgO, СаО, BaO, Al₂O₃, La₂O₃, Sb₂O₃ и др. соединения. Активными примесями служат чаще всего ионы Nd³⁺; используются также Gd³⁺, Er³⁺, Ho³⁺, Yb³⁺. Концентрация Nd³⁺ в стеклах доходит до 6% по массе. Достоинством стекол 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 оптической однородностью. Недостатки — большая ширина линии генерации — 3—10 нм и низкая теплопроводность, препятствующая быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке. В табл. 2 приведены химический состав и физические свойства лазерных стекол. Стекла варят в платиновых или керамических 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 стекол не должны содержать посторонних примесей более 0,01—0,001% по массе. Особо опасными для неодимовых стекол являются примеси Fe²⁺, Sm³⁺, Pr³⁺, Dy³⁺, Co, Ni, Cu.

Табл. 2. — Состав и физические свойства лазерных стекол с неодимом (длина волны генерации 1,06 мкм)

  Полупроводниковые Л. м. — кристаллы соединений типа A^IIB^VI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe) и A^IIIB^V (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 электрического тока, имеют так называемый р — n переход (см. Электронно-дырочный переход). Толщина р — n перехода составляет 0,1 мкм. Излучение возникает в слое р — n перехода, однако излучающий слой имеет толщину большую, чем р — n переход (~ 2 мкм). Рабочие элементы для инжекционных лазеров, изготовляемые из полупроводниковых кристаллов, имеют форму прямоугольных пластинок размерами 1´1´0,2 мм. Наилучшими энергетическими параметрами обладают р — n переходы в кристаллах GaAs. Достоинства полупроводниковых Л. м. с р — n переходом: высокий (доходящий до 50%) кпд(коэффициент полезного действия), малые размеры рабочих элементов, большая мощность излучения, получаемая с 1 см² излучающей поверхности. Недостатки — технологические трудности при получении однородных, высококачественных р — n переходов, широкая линия излучения (~10 нм при комнатной температуре), большая угловая расходимость излучения (1—2°). В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением или оптической накачкой используются кристаллы: чистых соединений без введения каких-либо примесей.

  Особенностями газовых Л. м. являются точное соответствие схемы энергетических уровней газа уровням отдельных атомов или молекул, составляющих этот газ, высокая оптическая однородность (световой луч, проходящий в среде газа, практически не рассеивается), очень малая угловая расходимость и узкие линии генерации. Недостаток — низкая концентрация рабочих частиц (всего 10¹⁴ — 10¹⁷ в см³). В газоразрядных лазерах, где возбуждение осуществляется путём создания электрического разряда в газе, давление колеблется от сотых долей am, т. е. 10³ н/м² до нескольких am, т. е. (1—9)×10⁵ н/м². Рабочими частицами являются либо атомы газа (Ne, Хе), либо положительно заряженные ионы (Ne²⁺, Ne³⁺, Ar²⁺, Kr²⁺), либо молекулы (N₂, CO₂, H₂O, HCN). В некоторых случаях к основному рабочему газу для улучшения его работы примешивают другой газ.(газета) 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 CFзI при давлении 6,7 кн/м² (50 мм pm. cm.). 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 оптической накачки и лазерного излучения. В неорганических жидкостях активная примесь — ионы Nd³⁺ — в концентрации нескольких % по массе растворена в оксихлоридах селена (SeOCl₂) или фосфора (POCl₃), содержащих хлориды некоторых металлов. Ширина линии генерации не превышает десятых долей нм. Жидкие Л. м. на органических 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, неодимовом стекле или светом импульсных газоразрядных ламп. Благодаря широким спектрам излучения растворов органических красителей возможна плавная перестройка длины волны излучения лазера в пределах полосы излучения.

  Лит.: Каминский А. А., Осико В. В., Неорганические лазерные материалы с ионной структурой, «Изв. АН(Академия наук) 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., Рейшахрит А. Л., Люминесцирующие стекла, как материал для оптических квантовых генераторов, там же, 1967, т. 3, № 2, с. 217—59; «Тр. института инженеров по электротехнике и электронике», 1966, т. 54, № 10, с. 57—70; Оптические квантовые генераторы на жидкостях, «Вестник АН(Академия наук) 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.